比降—面积法在三道沟门水文站的应用

在大洪水来临时, 及时准确测取洪水数据是每个水文站首要任务, 现有水文站的测验方法有传统的测船测流法、浮标法、比降—面积法、缆道法、走航式多普勒剖面流速仪 (ADCP) 测流等方法, 在以上各种测验方法中, 比降—面积法在测取非常大洪水时具有很大优势。我们以三道沟门水文站的历史洪水资料为依据, 分析大洪水时应用比降—面积法测流的可行性和可靠性。

1 比降—面积法

比降—面积法是适用于河流不能采用精度较高的测流方法施测流量时的近似计算方法。是用河段水面比降与断面面积作为主要因素测取流量的一种方法。在稀遇洪水无法用流速仪法、浮标法施测时, 采用此法可以及时测取的大洪水的量值, 为防汛指挥提供及时准确的洪水数据。比降—面积法也可以为确定水位流量关系曲线高水端的极点, 以延长水位流量关系曲线提供依据;在水位流量关系稳定的测站开展巡测所使用;也经常被水利规划中开展历史洪水调查时应用。

比降—面积测流法也是流速面积法的一种, 它是通过测量河道水面比降, 用水力学公式计算河段平均流速, 测量河段的平均断面面积, 并将平均流速与平均断面面积的乘积得流量, 即

河段平均流速用下式曼宁公式计算, 即

的精度取决于能面比降I和糙率n系数的精度。对于不均匀河段, 必须用能面比降Ie, 动能沿程变化不可忽略。只有当河槽沿程变化不大的情况下, 能面比降可以近似地等于水面比降, 即Ie=I0。为了提高水面比降I观测的精度, 在测验河段内不少于三个横断面的河谷两岸设立6组水尺, 以便验证整个河段的水面比降是否均匀一致和消除横比降的影响。

横断面测量应尽可能和水位观测同时进行, 在测验河段内一般不少于三个断面。

河段平均断面面积的计算:

河段平均湿周的计算: (湿周定义:过流断面上流体与固体壁面接触的周界线, 称为湿周, 常用χ表示, 湿周是过水断面的重要水力要素之一, 湿周越大水流阻力及水头损失也越大。)

式中:A1、A2……Am为各断面测量的断面面积;

χ1、χ2ΛΛχm为每一断面面积对应的湿周;

m为施测断面数;

为河段平均水力半径 (通常计算时取用平均水深) 。

河段选择的条件, 必须满足测站布设中比降水尺河段选择的条件, 为了保证精度, 河段水面落差至少要十倍于落差观测误差, 河段内要求河槽稳定, 糙率稳定, 这种河段推求出的流量值精度高。

2 比降—面积法测流的分析与应用

2.1 参数分析

首先采用历史流量测验资料分析计算河道糙率值, 一般要分析30次以上的中高水流量资料, 并有完整的上下游比降观测值, 点绘出水位和糙率的关系曲线, 定线时要照顾好高水点据, 尽量穿过点群中心定一条光滑曲线, 随着水位的变化, 尤其水位超过河滩地时, 糙率值要有突变现象是正常的, 因为滩地的糙率值要比河道糙率值大出许多, 线的走向可以出现较大的弯曲。当漫滩水位继续增高时, 糙率值增加速度反而减少, 在高水段一般要出现一个拐点和反曲。应用时, 根据不同的水位值在线上可查出相应的糙率值。

2.2 应用实例

以三道沟门站2011年第31次流量为例进行分析计算, 本次流量值178m3/s, 断面面积82.4m2, 平均流速2.16m/s, 测点最大流速3.07m/s, 水面宽63.1m, 平均水深1.31m, 最大水深1.95m, 测速垂线12条。

按照公式Q=F⋅v, 首先我们要求出平均断面面积和平均流速

(1) 查水位和糙率关系曲线得n=0.045。

(2) 河段平均水力半径

(3) 水面比降I=上下比降水尺读数差/上下比降断面间的距离

3.3 误差分析

比降—面积法算出的流量为177m3/s, 正常测验算的流量为178m3/s, 其误差为0.56%<高水允许误差3%, 因此使用比降—面积法计算成果合理。

3 结语

(1) 经过以上计算成果证明, 三道沟门水文站在发生特大洪水时候, 测船测流法、浮标法、比降—面积法、缆道法、走航式多普勒剖面流速仪 (ADCP) 测流等方法等测验方法难以进行安全测验的情况下, 使用比降—面积法可以比较安全可靠测出洪水流量值。

(2) 虽然比降—面积法计算成果在误差允许范围内, 但是用此方法计算的结果在资料整编时候被定为三级品, 是在不能采用精度较高的测流方法施测流量时的应急测验方法。因此, 平时测验工作中还要使用常规的测验方法, 以免影响测验精度。

(3) 在日常水文测验工作中, 要增加对测验河道河床糙率和滩地糙率的分析率定工作, 做好每次较大洪水测验成果的分析, 尤其对糙率值要进行大量的分析计算, 确定不同情况下糙率值的使用范围, 以不断提高测验精度, 为防汛决策提供更快更好的服务。

摘要：本文通过对目前水文站流量测验中所采用的几种测验方法实用性的对比分析, 得出应用比降—面积法测取特大洪水的可行性。并以三道沟门水文站为例进行了应用分析计算, 结果精度可以满足规范要求, 并且可以保证测验工作的及时、准确和安全, 可以在其他河床比较稳定的水文测验中推广使用。

关键词：大洪水,比降—面积法,流量测验

参考文献

[1] 白金宝, 王翠华.蓝旗营水文站应用比降—面积法测流实用性分析[J].河北水利, 1998 (5) .