水文测量中桥测流量精度的分析研究

赵东辉，耿 郁，刘 建

(1.吉林省水文水资源局通化分局，吉林 通化 134000;2.吉林省水文水资源局吉林分局，吉林 吉林 132000)

随着水文站队结合方式的深入，巡测方式得到了进一步普及。用巡测车在桥上测流，既可以提高工作效率，同时又扩大了资料收集范围，提高了巡测机动能力，促进了水文工作向深度和广度发展。因此对桥测流量精度进行科学的分析研究，对水文测验有着广泛的现实意义。在通化地区对梅河口(梅)、梅河口(二)和朝阳镇(二)三个水文站进行桥测试验，由于这三个水文站都设在辉发河上，河流特性相似，桥梁构造相同，因此通过桥型的选择，桥墩对流速的影响，桥测与其它流量测验方式的对比分析，对桥测流量的精度进行分析研究。

1 桥型的选择

用巡测车进行桥测，按照《水文巡测规范》(SL195－97)要求，较为理想的桥型一般是选择桥墩较小、跨度较大的公路桥，且“宜选择圆形(双柱型)、圆端(头)形墩的桥梁”。在现行桥梁中，选用钢筋混凝土双管板梁公路桥较为适宜。由于这种桥的桥面板一般伸出桥墩2m左右，较为有利于桥测断面的布设。考虑到流速的因素，桥测断面一般选在桥的上游，并宜在“桥墩上游2～5m范围内水流较平稳处”。按照这一要求，若桥面离开桥墩的距离2～5m，则断面设在桥外0～3m即可。选择这个距离的好处是桥测工具的悬臂不致过长，测量起来较为方便，安全系数也更大一些。

2 桥墩对水流流速的影响

天然水流通过桥梁时，流速必然要受到桥墩的阻水影响。由于桥墩对水流在各个方位、方向上影响的不同，同时也必然影响到桥孔间的流速分布。具体的影响通过对梅河口(梅)、梅河口(二)、朝阳镇(二)三个水文站在桥墩正对水流的迎水方向，距桥墩 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0m 处进行多点法测速，由于以上三个站的河流特性、桥梁构造完全相同，并且位于同一条河流之上，因此把三个站的资料汇集到一起，以Vi为桥墩上游迎水方向不同距离(Di)处的流速，V4为距桥墩4.0m处的流速，综合绘制Vi～Di～V4相关图(图1)。

由图上看，距桥墩2m处的流速与4m处的流速接近，流速系数为1.05，3m与4m处的流速接近，流速系数为1.00，可视4m处的流速与天然流速(V天)一致。在相关图上反映出，越接近桥墩，流速受到的影响越严重，它与天然流速的大小、桥墩形状、离开桥墩的距离等因素关系十分密切，因此通过它们之间的相关关系可以建立相关方程:

式中:V天为不爱桥墩影响的天然流速;K为影响流速的系数，与流速大小、桥墩形状、离开桥墩距离等因素有关;Vi为离开桥墩某一距离处测速垂线的平均流速;Di为某一测速垂线距离桥墩的距离;m为流速指数;n为墩距指数。

图1 桥上游距桥墩不同距离处的流速与距桥墩4m处流速Vi～Di～V4相关

对大量的实测资料试验数据进行统计、计算，经推导可得:m=1.05，n 数值则为 n= －0.25，K=1.30。这样可推导出在桥的上游，即桥墩迎水方向天然水的流速与桥墩形状、距离桥墩距离等的相关方程为:

建立这个相关方程的目的，就是试图推求桥墩对上游水流流速的影响范围及距离桥墩不同距离处的流速，用以确定桥测断面的位置和推求流速计算的改正系数。

对上述三个水文站在桥墩下游 3.0m处的断面上，根据桥墩左右两侧横向分布的流速资料亦点绘了Vi～Di～V4相关图，从图上同样可以看出，距离桥墩越近，点群散乱程度越严重，流速受到的影响越大。从正对桥墩上、下游情况看，桥墩对下游流速的影响范围要比上游大得多，这是由于桥下游水流受到桥墩的阻水影响，产生涡流影响范围较大的缘故。也正是由于这个原因，《水文巡测规范》(SL195－97)中规定桥上测流应选在在桥上游，，因此不再推求天然状态下的水流流速与桥下游桥墩的距离、桥墩形状、距离桥墩的距离等相关因素的相关方程。

3 桥测流量与其它流量测验方式的精度对比

对桥测流量的精度，用船测的方式与之进行比测，进行精度验证。通过在上述三个测站的桥上3m处布设测验断面，船测断面设在桥上游20m处，全断面都一样共布设10条垂线，都用常规法施测，两种测量方法同步进行。三个站分别施测10次，共计取得30次对比资料。经点绘比测流量关系点，可以看出，同步进行比测的水位流量关系线，点据非常集中，相关关系良好。见图2、图3、图4。

图2 梅河口(二)站桥测与船测水位－流量关系综合曲线图

图3 朝阳镇(二)站桥测与船测水位－流量关系综合曲线图

由上可以看出，梅河口(梅)的相关系数为0.998，梅河口(二)的相关系数为0.997，朝阳镇(二)站的相关系数为0.998，低水流量编差略大的原因，主要是由于低水流量小，很大程度上是测量误差造成的。由此看来，桥测流量严格按照巡测规范，是可以保证相当高的精度的。

图4 梅河口(梅)站桥测与船测水位－流量关系综合曲线图

4 结语

在桥测流量计算中，过水断面面积是否扣除桥墩面积，流速是否进行改正，决定于桥测断面的布设位置。为计算方便和不致使流量计算精度因进行改算而降低，如能将桥测断面设在桥墩对水流影响范围以外，较为有利。从试验资料看，只要桥墩尺寸小，影响水流范围小，桥面桥伸出桥墩一定距离，不在桥孔内布设垂线，就能达到这个目的。只要完全按照河道站的测流要求布设断面，使断面的各条垂线流速都接近天然流速，则流量精度很高，且很简便。但若桥测断面不能设在接近天然流速处，则垂线流速会受到影响，需要进行流速改正，改正系数的值需要经过大量试验才能确定。

［1］水利技术标准汇编—水文卷—水文测验，中国水利水电出版社，2002.

［2］水力学，华东水利学院，1957.