关于提高水面浮标测流精度的探讨

　　摘要：本文根据笔者多年的水文测站工作实践，就如何提高浮标测流精度问题进行阐述。
　　关键词：浮标定型；系数分析
　　
　　在现有测验设施设备条件的情况下，浮标测流是我省陕北地区徒涨徒落，柴草较多、泥沙大的山溪性河流常用的一种测洪方法。而浮标测流在目前还有很多问题要进一步探讨解决。我根据近十三年的水文测站工作实践，就提高浮标测流精度问题谈一下几点意见。
　　1、浮标要定型
　　浮标的形式、材料、尺寸大小、入水深度等因素都直接影响着浮标系数。凡是采用水面浮标测流的测站，首先应该在本站将浮标形式固定下来，这样在计算浮标流量过程中就可以通用一个浮标系数，避免因浮标类型不同造成系数变动的麻烦，方便了计算工作。
　　目前陕北地区广泛采用的形式是十字形草把浮标，为浮标平衡，并具有一定的入水深度，通常在浮标下方系有小石（小砖）块。所以材料一般本着就地取材的原则，用高粱杆、玉米杆、谷杆等材料均可捆扎。由于山溪性河流水流湍急，波浪较大，浮标尺寸不宜太小，一般0.6~0.8m为宜。为使白昼浮标醒目，一般可在上端插一彩色小旗或白色泡沫，夜间使用安装发光体夜明浮标，通常在浮标上端插一附着棉球的铁丝，使用时将棉球浸蘸柴油，有时为延长燃烧时间，棉球内适量地包些卫生球碎块。如遇到风雨大，浪花急的情况下，不能使用火光照明时，可改用电池夜明浮标，制作方法是用二号电池焊接1.5伏的灯泡，为加大发光面，外面罩上充气气球，然后将光体附在定型浮标上使用。为了避免浮标系数变化，白昼浮标和夜明浮标的基本形式、尺寸、重量应大致保持一致。
　　目前所用的十字草把浮标体积大，保管困难，存放久了容易霉烂，松散。可以综合各地浮标之优点统一用塑料或硬质纸加工定型浮标，这样更有利于A值统一应用。不论那种形式的浮标，一经先定，就不要随时变动，免得影响浮标系数的稳定性。
　　2、浮标系数的分析
　　浮标系数是影响浮标测流成果精度的主要因素之一，因此对浮标系数分析工作必须重视。浮标系数是受多种因素影响的一个综合系数，河流的水力因素、气流因素以及浮标的类型等都与浮标系数有密切关系，而不同的河流、断面开关，水流情况其水力因素都可能表现出不同的特性，对浮标系数产生不同的影响。浮标系数本来应该由测站试验得出本站的系数，但就目前测站人力和设备条件，要求用流速仪与浮标同时施测的方法来试验、扩大试验范围，提高水幅是困难的。笔者认为可以分析浮标系数的基本公式样中各因素的性质，然后采取分别试验方法来进行。
　　式中：
　　—水面浮标系数
　　—断面平均水面流速系数
　　—浮标阻力分布系数
　　—平均空气阻力参数
　　由浮标系数公式的指导过程可知在式中为空气与水的密度之比，它与气温和水温有关，但在一般情况下，由于温度的变化对值的影响甚微，故可视为常数。为空气和水的阻力系数之比，它与水流含沙量大小及浮标的质料、型式有关，在通常情况下，其比值变化很小，亦可视为常数。由引可见A值的大小主要是依浮标的类型而定，一个测站所用浮标的质料，型式确定之后，A值应为一固定的常数。
　　据有关资料证明，A值本身数值较小，在天然河道或渠道作试验，要得出理想成果是比较困难的。建议可根据定型后浮标的质料、型式、入水深度、选择水流条件较好的河段，或在静水池内进行试验，得出A值，推广应用。
　　水面流速系数是测验河段内一定水力因素的综合反映，它与断面形状、河床糙率、水面比降的变化等，有着密切关系。有些河段，断面比较规则，河床稳定。反之，水面流速系数往往随水力因素的变化而变化。可以说水面流速系数，各站应根据河流特性自行试验确定。测站可在水流条件许可的情况下，用仪器施测流量时加测水面流速，积累一定数量资料，建立断面流量Qm与断面流量Q相关图，该直线的斜率即为所求的断面平均水面流速系数。但是用仪器实测资料可求得值，一般水深幅度较低，要取得较大水深的值，还可利用历年浮标系数试验资料，根据浮标系数推求公式：反求出值。A值采用已知试验值，这样可以将水深幅度适当地提高，还可以利用有比降的流量资料，通过曼宁公式来推求值。用几种方法推求的值与水深H建立相关关系，以备在各种不同水深时查用值。据有关资料验证，在一定水深以上，H～关系比较稳定。
　　当A值与值确定后，可用浮标系数基本公式：分别计算不同值的，点会～关系线以备查用。
　　通过上述方法推求的浮标系数是建立在实测资料基础上的，要比目前各站现在所采用浮标系数按风力分配的办法实际得多，因浮标系数不同于水面流速系数的关键在于浮标露出水面部分受空气阻力影响的程度，而这种影响程度又决定于水面流速与风速顺逆差的大小，所以单以风力大小平均分配浮标系数是不妥的。在暂无试验资料的情况下，可分别借用经验和A值，通过公式计算浮标系数较为妥当。
　　3、断面冲淤变化规律的探讨
　　影响浮标流量精度有两个关键问题，一是浮标系数问题，一是断面问题。目前陕北大部分站实测断面的幅度很低，大洪水时仍以借用断面为主，对于冲淤变化大的河流来说，借用断面欠妥所造成的误差可能达到20～30%，或者更多，例如，陕北的赵石窑水文站，实测断面与借用断面（从水位面积关系线上查得）之间的误差往往达到20～30%，有时甚至达到近40%。解决这个问题必须从两方面着手，一方面发挥人的主观能动性，改进测验设施和测具，努力提高实测幅度。实测全断面有困难的，可尽量争取实测水深较小的部分断面，而这部分断面又往往是变化大，变化快的部分，特别是落水过程塌岸，淤积多发生在两边近岸，能抓紧时机不论测流和不测流把这部分变化过程测出来，对分析借用断面有很大帮助。即是能在取沙时尽量把水深测量出来，有时也能为借用断面提供重要参考资料；另一方面就是如何比较恰当地借用断面的问题，笔者多年来的观察，每个断面的特性和每次洪水的特征都是有所不同的，比如有的断面是涨水冲、落水淤；有的时候却是峰前淤，峰顶过后冲；有的断面水流方向不正，往往落水过程主流摆动，造成此岸冲、彼岸淤等等。同一断面在各次洪水过程中变化也不一样，断面冲淤与当时的各种水力因素变化有关，如流速变化，主流摆动学，含沙量大小，泥沙粒径，沉速等直接影响着断面的冲淤。所以，借用断面的分析是一项细致的工作，不能千篇一律。
　　4、测速过程要细致
　　要提高浮标测流的精度除注意以上几个环节外，还应该注意浮标测速有关环节，即浮标横向定位、浮标运行历时，浮标运行距离等，每个环节出了漏洞，都会影响所测流量精度。陕北地区各站目前多以经纬仪、小平板交会来确定浮标横向分布位置，用经纬仪监距时在流速大、浪头频繁的情况下难度大、问题多，容易形成流速曲线上点子散乱，或者形成流速曲线系统位移变形。要提高精度，只有视镜人员平时苦练技术。另外，笔者觉得用小平板监距从仪器角度来说，要求精度不及经纬仪，但使用简单，视物直观，计算方便，从使用效果讲精度并不亚于经纬仪。就浮标监距而言，小平板比较实用，浮标运行历时误差，在上下断面间距一定的情况下，流速愈大，误差愈大。假定上下断面间距为200米，流速为4.00米/秒，历时每差一秒就会造成2%的误差。所以在流速较大时，秒表必须记至0.1秒，以减少误差。运行距离对浮标流量误差造成机会更多，存在问题更大。大部分站没有瞄准设备，尤其是夜间测流影响更大。大于200米间距，上下断面如若各差2米，其误差就是2%，所以提高测流精度，各站应设置浮标断面瞄准器。