EKL型水文测流缆道系统中水深测验误差原因分析（精）

EKL型水文测流缆道系统中水深测验误差原因分析

〔摘 要〕 EKL型水文测流缆道是目前水文测站中流量测验的主要设备,该设备与传统的测流缆道相比,不仅提高了工作效率,改善了工作条件,而且其技术含量也有所提高,对提高流量测验精度起到了积极的作用。文章通过新疆各河流的使用情况,分析影响水深测验的因素,提出改进方法,以提高流量测验的精度。 〔关键词〕 EKL缆道;测验;误差;偏角 1 工作原理

EKL型水文测流缆道控制台主要由交流无级变频控制、手动操作、缆道测距定位、水文测速测算、综合信号等系统组成,并与水文过河设备共同组成了水文缆道自动采集系统,通过过河缆道将流速仪送至指定位置后,然后由综合信号系统发出各类信号传至控制台后,实施流速、水深测验,从而实现了水深、流速、起点距等流量要素的定点编程测验,以及在线数据的实时采集。 2 影响水深测验的因素

水深测量是流量测验的重要环节,是提高流量测验的精度关键环节,EKL水文缆道的水深测量是通过光栅计数器与起重轮连接,通过轮轴转动记录起重轮钢绳的位移,并根据实际测量水深与钢绳位移确定水深转换系数进行水深测量。在实际测量中,影响水深测验的因素较多,主要有以下几种:

(1)流速因素。铅鱼入水后,由于水流的冲力,铅鱼不能垂直入水,会产生1个偏角,这个偏角越大,所测量的水深就与实际水深的偏差越大,见图1。铅鱼重量一定的情况下,铅鱼在水流的冲力F的作用下,产生1个偏角β,实际水深为H,计数器记录的水深为H1,很明显,H1>H,当角度β越大,产生的水深误差就越大,流速越大,冲力F也随之增大,所产生的水深测量误差也就越大,这也是流量测验的主要误差,而这种误差在现有的设备条件下是不能够消除的,只有通过一些技术手段尽量减少。

(2)河床的物质组成。河床特别是河底的物质组成对水深测量也有很大的影响。当河床由不规则的大卵石组成时,铅鱼经常先接触到凸出的卵石,而不是真正的河底,铅鱼托板碰到卵石后,信号系统立即发射一个河底信号,即为所测水深,这个水深要比实际要小,这种误差与水深的大小有关,当水深足够大,其产生的相对误差可忽略不计,对于水深较小的河流,其相对误差就足以降低流量测验的精度,通过公式就可阐明这个问题。δ(% )=(H-H1) /H式中 δ—相对误差;H—实际水深;H1—计数器水深。

从公式可知,在H一定情况下,H1越小(也就是卵石越大),相对误差δ越大;在一定的河床组成情况下,小河流的水深测量相对误差就较大。这种误差是可以通过重复测量逐步消除。另外,河底由松软的细沙、细泥或是流动的细沙组成时,

铅鱼入河并接触到河底时,因河底作用在铅鱼托盘的向上的力小于托盘的自身重力G,铅鱼将继续下行,随水流方向移动,与实际水深成一偏角,直到河底向上的作用力大于托盘自身的重力时,信号系统才发出河底信号,测量出当时的水深,这个水深要比实际水深大,其误差大小与当时的水流速度、河底的矿物质组成有关,一般情况下,河底越松软、流速越大,其误差就越大,这个误差需重复测量以并根据实际工作经验有限制的消除。

(3)水面波浪的影响。EKL缆道控制系统主要通过各类信号来确定当时各流量要素的状况,水面信号一般安装在铅鱼上并处于同一水平位置,当水面信号的两个极板接触到水面时,信号系统发出水面信号,开始记录水深。当水面平稳时,水面信号发出的时刻即为水面位置,但当水面有波浪现象时,由于浪头要高出水面一段距离,铅鱼还未到达水面,波浪已将水面信号的两个极板接通,并发出水面信号,因此,水面记录时刻将提前,导致水深偏大,这个误差与当时的水面起伏度的大小有关,起伏度越大,误差就越大。

(4)缆道跨度的影响。缆道跨度因素对水深测量有很大的影响,由图1可以看出,循环索在缆道间移动时有一个垂度△h,它是由钢丝绳的重量引起的垂向距离,而且这个垂度是一个变值,缆道的两端最小,在中间最大,该缆道计数器与起重轮轴直接相连,记录的是起重轮钢绳的位移,这个位移包括了铅鱼下行的距离和垂向夸度产生的位移,因垂向跨度位移是一个变值,故通过比测率定的水深改正系数不能代表所有垂线各点的比例系数,最多只能接近所有各垂线的平均值,这是仪器本身所产生的误差,人为不能完全消除。下面根据某河流的比测试验进行综合说明各因素对水深测量产生的误差,见表1。此次比测试验照顾到了主流部分,系数的率定主要以主流部分的水深测验误差最小进行比测,从表中可以看出,起点距30~100 m间为非主流区,该部分河床冲淤变化较为严重,河床由易流动的细沙组成,该部分的水深测验误差可达75%,其原因除了系数率定的影响外,最主要的还是河床组成因素。起点距110~220 m间为主流区,流速较大,河床由小砾石组成,水深测量误差随着流速的增大而增大,最大误差可达9. 7%,为减少水深测量误差,在实际工作中按照工作原理反复进行试验,试图率定出一个水深系数,以减少水深测量的误差,但无论我们如何修改转换系数,结果是只能减少了某一部分的水深测验误差,而增大了另一部分的误差,效果均不明显。由此可以看出,水深测量误差是各个因素综合形成的,只是在某一个区域是由一个因素起决定作用的。 3 总结

水深测量是流量测验精度高低的重要环节,而影响水深测量精度的因素比较多而且比较复杂,包括自然和人为因素,以及仪器本身的缺陷,这些因素产生的误差已在新疆各河流中得到验证,为此,本人将根据上述影响因素提出以下建议,供参考。

(1)EKL型水文控制缆道适用于流速较小、河底平整且无细沙移动的河床进行测验,误差可以得到有效的控制。

(2)应尽量在天气状况良好的时段测验,可减少波浪对水深测量的影响。

(3)不适宜在流速较大的山溪性河流上使用。(4)因缆道垂度的影响,一般不适宜在跨度较大的河流中使用。

(5)因有些误差是由仪器本身造成的,实际测验无法消除此误差,因此进一步改进仪器测验方法,采用超声波或其他非接触式的仪器进行水深测量,可能得到较好的效果。 参 考 文 献

[1] 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

[2] 冯讷敏,沈秋.水文仪器设备实用手册[M].江苏.河海大学出版社, 2004 [3] GB50179-93河流流量测验规范[s].北京中国计划出版社, 1994

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