青海省水文水资源勘测局
1 水文站高洪流量测验的种类
青海省水文测站多分布在山溪性河流上，洪水特性涨落率较大，流速较高，由于测验设施标准不高，流速仪实测困难。水文站高洪流量测验实践中，使用的方法有：浮标法、流速仪水面法、比降面积法。
2 流速仪水面法
流速仪水面法是在高洪水设施施测断面面积困难的情况下，利用缆道流速仪施测河流水面的表面流速，借用邻近断面形状计算断面流量的一种补救措施。
2.1方案的种类及条件
种类：流速仪水面均匀布点和流速仪在中泓附近布点。
条件：必须有完整邻近的大断面图，布点方案必须有流量测验实测试验系数，流速仪下深位置要固定。
2.2实践中存在的问题
流速仪的下深位置不固定统一；方案系数未经试验率定，凭经验，有多站互用现象；方案操作不规范，不充分利用设备，更有甚者用流速仪在水面一点测流。
2.3操作要求
严格按规范操作，在设施测深条件受阻时，可借用断面用流速仪水面法测速，方案要统一，系数要率定，形成文字材料加以规范保存，严禁流速仪水面一点法操作。
3 比降面积法
比降面积法测流可以在一定条件下使用，特别是在使用流速仪和水面浮标法困难时，是一种有效的方法。比降面积法主要用于特大洪水测验及洪水调查工作。
3.1适用的条件
河道选择要基本顺直，断面稳定，断面形状沿程变化不大，岸边水流通畅，无回流区，比降上下断面应避开急滩、支流分叉、斜流等干扰；水面比降观测应同时准确；糙率系数应确定准确，主槽和漫滩应分开选用，计算不同水位级应视具体情况选用；适用于恒定非均匀流，即峰顶和水流平稳期。
3.2糙率的影响因素
可从实测资料中来分析糙率，也可采用沿程损失反求的途径，或根据断面河床情况在相应的糙率表中查用。为便于分析与合理确定糙率曲线，应将影响糙率大小和糙率曲线线性变化的主要原因，如河床、岸壁组成，河床、岸壁表面粗糙程度，以及植被情况，用简要文字和数据标注糙率曲线相应高程部位。确定糙率曲线时，应结合各方面因素综合分析考虑。
4浮标法
浮标法测流是河道流量测验的主要方法之一，我省水文测站多分布在山溪性河流上，浮标法测流在高洪流量测验中应用广泛，值得重视学习推广。
4.1浮标类型及其适用条件
水面浮标：水面漂浮物较多，超出流速仪测速范围的高流速；深水浮标：流速很小，流速仪灵敏度达不到要求；浮杆浮标：流速很小；小浮标：水深很小时流速仪无法使用。当风向、风速影响浮标运行较大时，不宜用浮标法测流。
4.2浮标测流的方法
浮标法测流的方法有均匀浮标、中泓浮标、漂浮物浮标、浮标法和流速仪联合测流四种。
4.3浮标系数的确定及其影响因素
浮标系数是影响浮标测流成果精度的主要因素，根据浮标系数应用于浮标测流流量计算的相应关系，不同的测流方案应使用各自相应试验系数。浮标系数是多因素影响的综合参数，除测站测流河段的断面形状、水深、糙率、比降、水草、流态、测站控制条件等几何水力因素外，还受浮标的制作材料、形式、出水高度、入水深度以及风力、风向等因素的影响。在分析研究一个测站浮标系数时，应全面考虑，具体分析，抓住其中起主导作用的因素实验分析。
4.4浮标测流在高洪测验的优点及应用
高洪流量测验条件困难，涨落率较大，并伴随流速高，漂浮物多，断面冲淤大，流速仪实测困难，浮标法正好弥补了流速仪的不足，在高洪测验中尽显优点。一般在下列情况下选择使用浮标测流：河流特性暴涨暴落，洪峰历时短，流速仪抢测洪峰比较困难；河流中水草、漂浮物较多，仪器难以入水，且水草缠绕仪器无法正常施成部分，水利工程经济主要是研究水利工程的经济效益及其经济评测；测站测洪能力普遍偏底，大多数测站流速仪实测能力不足5年一遇洪水，新设、新建站流速仪实测能力不足20年一遇洪水；高洪测验中仪器实测安全性较差，危险性较大，但对于超标准洪水不提倡冒险测验。
4.5实践中运用浮标法测流存在的问题。
浮标法测流存在的问题主要表现在以下几个方面：○1测站投放浮标不规范，不能严格按浮标测流规范施测。○2测站由于河道下垫面变化，上下游所修水利工程建筑物影响，浮标系数不作相应修正。○3新设新建站未进行浮标系数的率定，仅凭经验系数。○4断面迁移的测站未重新率定各种系数，而是沿用老断面的。○5测站人员更替频繁，浮标系数使用情况不详，不符合规范。
5不确定度的优化和分配
高洪流量测验单次不确定度的优化和分配，可在满足高洪流量测验单次测流限制历时等于或大于测流必须历时的约束下，建立使单次测流误差最小的目标函数；或在满足单次测流总随机不确定度等于或小于允许总随机不确定度的约束条件下，建立测流必须历时最短的目标函数，以求测点测速历时，测速点数和断面垂线之间的最佳组合方案。因此，流速仪法高洪测验方案的优选，可按下列数学模型建立目标函数和约束条件。
建立单次流量总随机不确定度最小的目标函数
式（1）中：X′Q为单次流量总随机不确定度(%)；X′m为由于有限垂线数引起的随机不确定度(%)；X′p为由于计算规则引起的垂线平均流速随机不确定度(%)；X′e为由于流速脉动引起的随机不确定度(%)；X′c为流速仪检定随机不确定度(%)；X′d为水深测量随机不确定度(%)；X′b为宽度测量随机不确定度(%)；m为断面测速垂线数。
约束条件为
mnt+km-T0≤0；-m+1≤0；-n+1≤0；-t≤0
式中：m为为测速垂线数；n为测速垂线上的测点数；t为测点上测速历时（s）；k为垂线所需辅助历时（s）；T0为单次测流限制历时（s）。
建立单次测流历时为最短目标函数
mint=mnt+km （2）
式（2）中，T为每次流量测验必须历时（s）。
约束条件为
X′Q-X′0≤0 ；-m+1≤0 ；-n+1≤0；-t≤0
式中：X′0为单次测流允许总随机不确定度（%）。
目标函数式(1)及其约束条件是单次流量总随机不确定度的优化问题，目标函数式(2)则是给定单次测流允许总随机不确定度的条件下，使单次测流历时最短，实际上，这是单次测流总随机不确定度的分配问题。单次流量总随机不确定度的优化和分配都是以优化测流方案，提高流量测验精度为目的。
5.1垂线所需辅助历时
垂线所需辅助历时包括流速仪在垂线上的垂直位移和垂线间的水平位移时间，应用船测时还应包括抛锚定位时间。
5.2单次流量测验必须历时
单次流量必须历时包括在全部测速点上的实用历时和所有垂线的辅助历时之和。
优化应具有系统科学的特点，在确定目标，建立目标函数和寻优分析中，应注意问题的整体性、关联性、最优性、实用性。经过多种方案设计比较，择优选用。应当说明的是，高洪测流方案的优化与测站特性和水情特点紧密相关，必须通过本站的资料分析来确定有关参数，然后进行优化，切不可盲目借用。
6结语
水文站高洪流量对于水利水电工程规划、设计及防洪减灾有重要意义。各水文站应根据测站的实际情况因地制宜，积极探讨各种组合条件下的高洪流量测验方案，对高洪流量测验单次不确定度进行优化和分配，不断提高高洪流量的测验精度，为水利水电工程规划和防洪调度及决策提供科学依据。
参考文献
[1]GB50179-2015 河流流量测验规范.北京:中国水利水电出版社,2015.
[2]水文测验实用手册.北京:中国水利水电出版社,2013.
论文作者:代喜梅
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/5
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