《对潮流量测验误差控制的探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对潮流量测验误差控制的探讨（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、对潮流量测验误差控制的探讨宋政峰，杜迎燕（上海市水文总站 上海 200232）摘要：本文通过感潮河流流量测验误差试验成果，对潮流量测验、型误差的影响进行分析，对潮流量测验中误差控制指标和潮流期内测次分布提出建议。关键词：潮流量；测验精度；误差试验1 前言迄今为止，我国受潮汐影响的河流水文测验缺乏专门的技术标准，其水文测验和资料整编的生产实践，只能参照通用技术标准中有关条文执行，以致很多技术指标不够明确，特别是这些条文在感潮河流中的适用性，尚缺乏坚实的理论阐述和丰富的实践验证。总所周知，影响水文测验资料质量最重要的因素是其准确性和完整性，前者表现为单次测验成果的误差大小，后者则表现为在某个时段内
2、由若干次测验结果能否有效地获得这一时段的水流过程，以计算出该时段的平均值。潮水河的断面流量测验方法也源自经典的流量模潮流量的概念，采用流速面积法。因此，单次断面潮流量的误差也由仪器检定、宽度、水深、测点测速历时、垂线测点分布、断面垂线数目的造成的误差几方面综合组成。在潮流量测验中，前三项误差与现有广泛采用的的误差试验结论并无特殊不同，而后三项即型、型、和型误差，可能会因为流向往复变化而受到影响，因此，需要研究这种水文情势对三种误差会产生怎样的影响以及如何加以控制的对策。同时，对于潮水河而言，单次的潮流量资料在水资源工程的规划设计中往往没有直接的使用价值，通常所需要的是时段的平均流量或潮量，为此
3、，水文部门需要将若干次测流所形成的潮流量过程进行“割”与“补”的计算，这就产生了平均流量或潮量中含有的“割补”误差，显然，它与测次安排有关。如何从减小或控制此项误差出发，提出合理安排测次的原则，也是需要研究的课题之一。2 测点流速测量误差（I 型误差）2.1 试验条件（1）仪器。为了准确观测流速脉动影响，采用全新的 1 转 2 讯号的 LS20B 流速仪，通过智能脉冲信号处理器，将流速仪每一个信号转换为发生时刻的时标信号输出至计算机。通过对每个流速信号的发生过程，分析计算不同历时的流速值，并进行分析。（2）测速历时。出于潮流流向变化的特性，采用过长的历时没有价值，且成果并不可靠，根据现有流速面
4、积法误差研究成果对于 I 型误差试验 “300 s 历时的脉动影响小于 1 %”的结论以及潮流涨落率情况，避开急剧涨落的转流时段，选择 300 s、200 s、120 s、100 s、60 s、50 s 共 6 种测速历时。并以 300s 历时的流速值为其它各种历时试验值的参比值。（3）河段及其他有关参数。试验选择在船只较少，上下游河槽起伏小、主槽宽且顺直的长江口南支北港水道中泓，测船固定锚泊，试验地河底平坦宽阔。试验位置水深为 10.6 m11.4 m，测点水深 4.5 m（0.4 相对水深），船只吃水 1.6 m；试验流速范围 0.15 m/s0.90 m/s，为感潮内河典型的流速范围。试
5、验时间持续 18 小时。2.2 试验结果经试验数据的统计，得到不同历时的测点流速测量不确定度如见表 1 所示。表 1 测点不同历时的流速不确定度 (单位%)历时 200 s 120 s 100 s 60 s 50 s不确定度 4.3 6.0 6.1 7.9 9.0根据国际标准 1公布的数据，相同的相对水深条件下，120 s 和 60 s 所对应的 I 型误差，在相同的流速分布区间，其平均不确定度为 6.4 %和 6.9 %。从试验结果可以看出：潮水河 I 型误差 6.0 %和 7.9 %的试验值，与国际标准的试验值接近。120 s 的测速不确定度小于国际标准的数值，60 s 的测速不确定度大于
6、国际标准的数值，这可能与试验时 300 s 历时参照流速存在一定的非稳定流影响有关。试验结果表明：我国现行规范要求“潮流站单个测点上的测速历时宜为 60 s100 s”2的规定是合适的。通过本次试验，对潮流站测点流速历时，建议选择 100 s，流速变化比较大的可选 60 s。3 垂线流速测点分布误差（II 型误差）潮流量测验中普遍采用三点法，兼有两点法和一点法测速，以快速完成垂线流速观测。2004 年开展感潮地区 ADCP 盲区改正研究时，发现潮流的垂线流速分布可能存在多种形态 3，如见图 1 所示。3.1 试验条件（1）仪器。如果采用多点同时观测，需要至少 11 架流速仪和一个理想的作业平台
7、，在航运繁忙的感潮河段难以实现。因此，采用 ADCP 测速。选用带零盲区技术的宽带 ADCP，使用专用浮体承载，避免船只扰流。事先专门对 ADCP 进行了的流速脉动误差试验，其结果如表 2 所示，表明其 I 型误差比流速仪的更小。 图 1 垂线流速分布图 表 2 ADCP 不同历时的流速不确定度 (单位% )历时 200 s 120 s 100 s 60 s不确定度 1.8 2.1 2.6 4.0系统误差 0.1 0.1 0.2 0.1（2）河段及有关参数。河段试验河底平坦、江面宽阔。试验水深变化 12 m14 m，测速历时选择 60 s,单元深度 0.20 m，现场独立测量水深，以保证计算准
8、确。3.2 试验结果试验数据全部由实测 ADCP 剖面单元数据进行实算处理，测点流速取所需测点位置上下共 3 个单元（小于 0.05 相对深）的平均值，通过 CAD 绘制流速分布图并进行盲区改正，选取了 11、6、3、2、1 五种测点分布方案进行分析如表 3 所示。表 3 不同测点数目的垂线流速不确定度 (单位%)11 点法 6 点法 3 点法 2 点法 1 点法不确定度 1.2 1.3 2.1 2.5 5.9可以看出，11 点法的流速不确定度，接近国际标准 1“流速分布法”1%的数值，2 点法和 1 点法的流速不确定度接近国际标准的 2/5，说明各方法均相对具有较好的垂线流速观测精度。考虑到
9、通航、总体流速小误差权影响大，实际测验中宜采用不低于 3 点法的垂线布置。4 断面垂线数目分布误差（型误差）4.1 试验条件（1）仪器。采用了走航 ADCP。由于 ADCP 所观测到的流速单元为非时段观测量，因流速脉动而导致的流速误差在整个 ADCP 走航剖面上被综合，在流速面面积足够、流速横向差异较小的情况下，可以近似用一个部分面积的流速近似作为垂线平均流速。（2）河段。为了探讨不同河宽测速垂线数对型误差的影响，选择了河道规整顺直、呈单一断面的松浦大桥（390 m 宽）、练塘（200 m 宽）、东团（ 120 m 宽）三站。（3）流量计算。由走航 ADCP 断面流速数据，选择航迹平直、单元宽
10、分布均匀、航速稳定的样本，以 10 m20 m 间隔提取垂线流速数据数目的精简分析。对应每个试验垂线，以测流断面上相同的航迹投影宽度，从测到的 ADCP 流速剖面中，计算部分宽的综合平均流速，采用直接作为该垂线平均流速。垂线在部分宽上基本居中，松浦大桥、练塘、东团三站的流速提取计算部分的宽度分别取 5 m、2 m、2 m。采用提取的垂线流速，按不同的垂线数目计算全断面流量，以走航 ADCP 全断面流量为近似真值，来分析不同垂线数目下的流量测验误差。4.2 试验结果试验结果见表 4。所有垂线数目试验结果表明，误差值均小于国际标准 1的试验结果，这和感潮河段的断面流速分布平缓有关。从 ADCP 的
11、提取的垂线流速和历史上多垂线测验资料来看，垂线平均流速在断面横向分布确实比较平缓。表 4 不同垂线数目的单次断面潮流量不确定度 单位：%不确定度垂线数目 布设情况 松浦大桥（390 m）练塘（200 m）东团（120 m） 国际标准21 均匀布设、边坡有控制 3.9 4.813 均匀布设、边坡有控制 6.1 6.911 均匀布设、边坡有控制 4.9 8.29 均匀布设、边坡有控制 5.5 7.9 10.07 均匀布设、边坡与转折有控制 6.1 9.2 8.5 12.3中心对称、主流边缘控制 6.3 11.1 8.75中心对称、主流控制 6.7 9.015中泓、主流边缘 9.5 11.73中泓、
12、侧泓 17.0 12.2试验得到的结论是：感潮河段宽浅型断面相对于山川河流窄深型断面，其垂线数量的要求可适当降低些。当垂线可设数目有限时，垂线位置选择恰当，则较少的垂线数仍可得到比较理想的精度。5 潮流量测次布置的误差潮流期内的流速测次，应根据各站流速变化的大小缓急适当分布，以能准确掌握全潮过程中流速变化的转折点为原则。由于无法参照其它要素的变化特征来有效控制测次时刻，针对潮流量的变化过程呈现波的运动状况，通常采取定时施测。目前普遍采用涨潮流 0.5 h、落潮流 1 h 的测次间隔 4。5.1 试验样本与试验方法以松浦大桥站连续观测的 60 个潮流期的代表流速法自动观测成果（标准差 5 %）为
13、试验资料，以其测次间隔为 5 min 的原始观测值为近似真值，分别选用 10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min 不同的测次间隔，模拟不同的潮流期计算结果进行分析。5.2 试验结果由于实测憩流不能有效代表断面憩流，转流前后为近似直线变化而且憩流点的偏离对总潮量的影响很小，目前潮流量测验已经不实测憩流而是由流量过程线上确定 2。这样，测次间隔的不同除了相对实际潮流量过程存在“割”和“补”的误差，还因憩流时间确定不同造成潮流期长短而产生的误差。表 5 不同测次间隔下相对误差的保证率 单位 %10 min 15 min 20 min 30 min 45 mi
14、n 60 min测次间隔相对误差 涨 落 涨 落 涨 落 涨 落 涨 落 涨 落3 98 100 95 100 93 98 92 95 90 90 53 455 100 100 98 100 98 100 97 100 97 98 77 777 100 100 100 100 98 100 98 100 98 100 93 9510 100 100 100 100 100 100 100 100 98 100 98 100试验结果见表 5，它表明以下两点：（1）潮平均流量或潮量的误差小于 5 %的保值率若要达到 95 %以上，无论涨潮流还是落潮流，测次间隔均需要 45 min 以内。（2）按“
15、涨落潮均 30 min”、 “涨潮 30 min、落潮 60 min”、 “涨落潮均 60 min”三种测次间隔，对潮流量不确定度进行统计，发现其他要素均表现为随测次间隔的加密、 “割”“补”情况的减弱，误差指标呈正常下降，但潮总量和潮平均流量却有特殊的变化，见表6。表 6 不同测次间隔下潮平均流量与潮量的不确定度 单位 %涨落潮均为 30 min 涨潮 30min、落潮 60 min 涨落潮均为 60 min涨潮量 4.2 4.4 7.5 落潮量 1.5 3.5 3.6 净泄潮量 7.8 21.2 14.6 涨历时 3.6 4.2 7.1 落历时 1.4 1.9 2.9 总历时 1.1 1.4 2.1 涨潮平均流量 1.7 3.3 3.5 落潮平均流量 4.1 4.1 6.4 潮平均流量 8.0 21.4 14.7 由此可见，从不同测次间隔对于潮平均流量精度评估影响来看，涨落潮均按 30 分钟是相对合适的测次布置方法。现有普遍采用的“涨潮流 0.5 h、落潮流 1 h”测次分布方法，对潮流量成果的误差影响较
