水深测量误差对流量资料整编精度的影响分析

陈思宇，白 宁

(1.黑河水文局，黑龙江黑河164300;2.伊春水文局，黑龙江伊春153000)

1 前言

水资源的科学合理利用，需要有系统的水文资料，流域流量资料是用途较广的主要水文资料之一。将某一流域的流量资料通过分析整理，按科学的方法和统一的格式，整编成具有足够精度的、系统连续的资料过程称为流量资料整编。水位～流量关系曲线法是流量资料整编中最常用、最基本的方法。水位～流量关系曲线指江河横断面上的水位与流量之间的对应关系。即以流量为横坐标、水位为纵坐标的一条曲线。流量资料整编中最关键的部分是绘制准确合理的水位～流量关系曲线，用水位在曲线上推求流量，计算日、月、年平均水资源量及挑选各种流量特征值。分析水位～流量关系的性质和影响因素，可以帮助我们获取比较合理的，符合河流实际特性的流量数据，以提高流量推算的精度，更好地服务于流域开发、利用和治理工作。影响水位～流量关系曲线的因素虽较多，但主要以流量测验误差为主。因河道断面流量Q=A×V，式中A为断面面积(A=h×b，h为断面平均水深，b为水面宽)，V为断面平均流速，所以流量测验误差主要由面积和流速的误差引起。本文仅以中小河流低水期采用测深杆悬挂流速仪法测流时，水深测量误差对流量资料整编精度的影响进行实例分析。

2 水深测量误差对断面流量、面积和流速的影响

在流量测验过程中，必须依次测取各测深垂线的水深和垂线间距，以便计算出各部分过水断面的面积，最后累加成断面总面积。水文测验断面的测深垂线间距一般都是固定不变的，误差可以忽略不计。低水期采用测深杆观测水深时，测深杆入水后迎水面产生雍水现象，如果仅从迎水面观读水深则观读值高于正常值，背水面由于测深杆阻水产生涡流，如果仅从背水面观读则观读值低于正常值，正确的测量方法是尽可能从侧面读取测深杆在实际水面处的刻度值且采取多次观读取均值的方法测得，这样才能更接近于真值。读数误差引起的水深的增大(减小)将直接导致过水断面面积的增大(减小)。因测深杆悬挂流速仪测量断面流速时，流速仪入水深度是按已测得的水深值，以一定的比例系数自水面向下按计算深度值来放置，所以，水深观读误差将会进一步导致流速仪入水深度的误差。又因在断面垂线上不同深度的水流速度分布形式不同，所以又将产生流速测量误差。面积和流速的误差将共同产生流量的计算误差。下面以实际对比观测数据来进一步分析测深杆测深误差对流量资料精度的影响。

2.1 分析方法与数据样本

流量测验断面位于乌云河东风水文站，流量测验方式采用测深杆(圆柱形)悬挂流速仪涉水施测法。断面各条测速垂线流速均采用一点法施测，仪器入水深度均为0.6 h测。本次对比观测共采集了不同水位下10个测次的流量测验资料，用来检验水深测量误差对流量、面积、流速的影响。实测水深时分别读取测深杆入水后迎水面、背水面和实际接触水面的水深读数，每个测次产生3组流量，面积、流速数据，以在实际水面处观读水深测得的数据组作为正常值，详见表1。

表1 乌云河东风站不同水深观读方式测流对比分析表

2.2 测量成果误差分析

分析表1中的数据可知，在测深杆迎水面观读水深时所引起的计算误差使断面面积增大，流速减小;在测深杆背水面观读水深时所引起的计算误差使断面面积减小，流速增大;面积和流速计算误差共同导致断面流量值在测深杆背水面观读水深时增大，迎水面观读水深时减小。根据各组数据分别绘制出3条水位～流量关系曲线，见图1。由水位～流量关系曲线对比图可见，在迎水面测深时所形成的水位～流量关系曲线偏向标准曲线的左侧，在背水面测深时所形成的关系曲线偏向标准曲线的右侧。下面采用数理统计t检验法，选显著性水平a=0.05 m来检验2条曲线与标准曲线的偏离程度。

计算公式为:

式中:x1、x2为两组数据对标准曲线的偏离值，μ1，μ2为两组系列数据的均值，，为 x1、x2的方差，n1、n2为数据个数。经计算，因临界值t(1－a/2)=2.10，所以迎水侧流量曲线没有通过t检验，已偏离标准曲线，不能与标准曲线进行合并定线。因临界值t(1－a/2)=2.10，所以背水侧流量曲线没有通过t检验，已明显偏离标准曲线，不能与标准曲线进行合并定线。迎水侧与背水侧所测得的流量点据与正常曲线的系统偏差分别为－24.2%和39.4%，超出了《水文资料整编规范》规定的测点与曲线系统误差＜±1%的限制标准。采用迎水侧流量曲线推求5月份地表水资源量为103.3万m3，小于实际水量21.8万m3，采用背水侧流量曲线推求5月份地表水资源量为156.4万m3，大于实际水量31.3万m3。可见，不能使用带有系统偏离误差的水位～流量关系曲线来推求流域水资源量，否则会带来较大计算误差，影响到河流水资源量的有效利用。

图1 乌云河东风站测深杆涉水测流水位～流量关系曲线对比图

3 结论

由上述分析可知，虽然有多种因素可以引起流量测验过程中断面面积和流速的测量误差，但水深测量误差是能够同时导致二者产生误差的主要因素。《河流流量测验规范》将水深测量误差分别列入断面测量和流速测量的误差来源之一，但《规范》在水深测量误差来源说明中，并未强调测深杆测深时产生的迎水雍水和背水漩涡所带来的水深观测误差问题。实际工作中为方便起见，有时存在测量水深时直接观读壅水或漩涡处水深读数的现象。上述实例分析数据系列长度虽较短，但也可以初步认为，这种观测习惯会带来较大的流量计算误差，将会直接影响到流量资料的有效利用。具体改进建议是除了按前文所述方法正确观读水深外，还应该改进测深杆的外形设计，使其外形尽可能成流线型以便减小水流产生的雍水或漩涡现象，另外还应尽可能避开在水流湍急处涉水测流，最好选择水流相对平缓的临时断面来施测，只有这样才能在最大程度上减少测深杆测深误差对流量成果资料精度的影响。

［1］水利部长江水利委员会水文局.GB50179－33河流流量测验规范［S］.北京:中国计划出版社，1994.

［2］水利部水文局.SL247－1999水文资料整编规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1999.

［3］钱学伟，陆建华.水文测验误差分析与评定［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［4］曹之桦.水文统计学［M］.北京:水利水电出版社，1984.