黄河山东测区汛期流量测验误差分析研究

孟宪静，李作安

（黄河水利委员会山东水文水资源局，山东 济南250100）

1 流量测验方法

自2017 年以来，黄河山东测区逐步推广了声学多普勒（ADCP）用以小含沙量时期流量测验，但汛期中高洪水及含沙量较大时期仍以流速仪法测流为主，各水文站流速仪法大部分时间为常测法，同时还布置适当次数精测法，主要目的是试验研究常规测验方法存在的误差，两种方法主要区别见表1。

表1 流速仪法流量测验测线与测点布设

2 测验方法误差分析

2.1 资料的收集

本次分析收集了各水文站自小浪底水库2002 年运行以来的精测法流量整编成果，所收集的资料基本满足分析要求，且包括了高、中、低各级洪水，保证了资料的一致性、可靠性、代表性。

2.2 Ⅱ型误差分析

2.2.1 分析方法

Ⅱ型误差是指因垂线上测点数不够，不能完全控制流速沿垂线的垂向分布，所产生的垂线平均流速的计算误差。分析方法主要是用精测法资料分析垂线流速沿水深的变化规律，以十一点法（或五点法）作为近似真值，计算各选点法垂线平均流速的系统误差、标准差、置信水平为95%的不确定度，根据需要建立一点法与垂线平均流速的数学模型，并对模型进行精度评估。流速仪法Ⅱ型误差及不确定度按《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）中的（B.11.10-1）、（B.11.10-2）和（B.11.10-3）公式估算[1]。

2.2.2 流速沿垂线分布规律分析[2]

天然河道中，畅流时一般水面的流速大于河底，且垂线流速分曲线呈一定的形状，主要分布模型有抛物线型、对数型、椭圆型、指数型等，但这些理论上的模型在使用时都具有一定的局限性，黄河山东测区流速沿水深的分布基本一致，其规律主要表现为以下几种情况：

1）流速垂向分布表现为由水面向河底逐渐递减，但从递减幅度看，流速大时变化梯度较大，流速较小时分布相对均匀，变化梯度也相应较小。一般情况下，最大测点流速为水面流速，少量的垂线在相对水深0.2 位置处，符合流速沿水深变化的一般规律。

2）少数时间出现中间大，水面与河底处流速较小的情况，垂线分布呈抛物线型，产生这种情况原因主要是受河槽冲刷影响，一般水深较深，水面与河底流速脉动相对较大，垂线流速出现不均匀变化，这主要是受特殊水流、脉动、地形、河底冲刷、含沙量变化等因素影响。

（ 来源：《新华每日电讯》 2018-08-10 http://www.xinhuanet.com//mrdx/2018-08/10/c_137380928.htm ）

2.2.3 分析结果及评判

黄河山东测区垂线平均流速测验一般采用的常测法为二点法或三点法，一点法主要应用于垂线水深不足或应急监测。本次以五点法垂线平均流速作为近似真值，统计分析一点法、二点法、三点法测得垂线平均流速与五点法流速之间的误差、标准差及置信水平为95%的不确定度，各水文站常规测验方法的Ⅱ型误差均按照一类精度水文站中水级进行评判（见表2）。

表2 黄河山东测区各水文站常测法Ⅱ型误差统计表

2.3 Ⅲ型误差分析

2.3.1 分析方法

Ⅲ型误差是指因断面上测速垂线数不够，不能完全控制流速沿断面的横向分布，所产生的断面平均流速的计算误差。分析内容包括：

1）在对取得的试验资料（不少于20 次）进行分析计算时，采用已消除了不稳定因素的流速和相应水深，按平均分割法计算流量，作为流量的近似真值。

2）对同一测次，根据断面形状和横向流速分布，确定对流量精度影响较大的垂线作为保留垂线，再按均匀抽取垂线的原则，根据实际需要精简一定数目的垂线，再计算少线流量。

3）统计计算各精测法与现采用的常测法（不低于流量规范测速垂线条数）的测速垂线布设方法的流量测验成果，分析计算二者的误差、标准差、置信水平为95%的不确定度。

按《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）中的（B.11.12-1）和（B.11.12-2）公式估算流速仪法的Ⅲ型误差[1]。

2.3.2 流速沿垂线分布规律分析

水流在主槽运行时，流速沿河宽分布较为规则，一般情况下，主流位置流速较大，边滩流速较小，垂线平均流速沿河宽的变化与断面形状有关，一般情况下，水深较大处流速也大，水浅的地方流速也小。同时，流速与河底的冲刷有密切的关系，流速较大的地段，河床一般表现为冲刷，反之，河床表现为淤积。此外，流速沿断面的横向分布还因河道特点和断面冲淤的变化有着不同的规律，断面上出现的特殊水流——“涟子水”表现出特殊的现象，虽然河底冲刷严重，但其表现出垂线流速上小下大，垂线平均流速反而较小。受水流脉动以及水流造床能力的影响，垂线平均流速有时呈现不规则的跳跃现象[2]。

2.3.3 分析结果及评判

洪水在主槽运行时，各水文站常测法根据河宽一般布设12～14 条测速垂线，测速垂线大致均匀分布，基本控制断面地形和流速沿河宽分布的主要转折点，无大补大割情况。为避免测速垂线数目引起的随机误差和系统误差对流量影响过大，断面内任意两条相邻测速垂线的间距与高、中、低水位时总水面宽的比例控制在7%～10%之间。统计计算按照常测法精简后流量值，分析各水文站常测法系统误差、标准差和置信水平为95%的不确定度，各类误差及评判结果见表3。

表3 黄河山东测区各水文站常测法Ⅲ型误差统计表

3 结论及建议

通过对黄河山东测区汛期各水文站现行流量常规测验方法的统计分析，可以得出以下结论及建议：

1）各水文站目前采用的垂线平均流速常测法（二点法或三点法）的系统误差、置信水平为95%的不确定度均在规范规定范围之内，流量测验垂线测点分布的代表性较强，垂线平均流速测验方法的精度满足规范要求，可以继续使用。

2）水深允许时应采用二点法或三点法，当水深不满足要求必须用一点法测速时，测点位置应先布设在0.6 相对水深处。

3）水面、0.2 或0.5 一点法的流速经系数改正后系统误差基本可以控制在规范允许范围内，但不确定度均较大，说明一点法流速具有较大的不确定性，一般情况下不得采用，若必须使用时应结合测验现场的实际情况随时分析流速系数。

4）现行常规法流量测速垂线布置能够较好地控制流速沿断面的横向分布，所产生的流量计算误差在规范允许范围之内。

综上所述，黄河山东测区各水文站采用流速仪常测法进行流量测验，方式、方法适合小浪底水库运行后的水沙运行规律及特点，可在今后的汛期洪水测验中继续应用。