林家村水文站自動化測流方法探討

◎師 奎 楊烈琴

林家村水文站是渭河干流控制站，屬國家重要水文站，擔負著渭河河道和寶雞峽渠道水文要素監測任務。該站于1974年開始渠道監測，渠道監測斷面位于寶雞峽樞紐工程以下2km，監測項目齊全。林家村站寶雞峽渠道測驗斷面于1974年設立，斷面距寶雞峽渠首約1km。觀測項目有水位、流量、含沙量。設站目的為農業灌溉計劃用水提供依據。渠道型狀為梯形，頂寬20m，高4.7m，底寬6.4m。渠道基本順直，基上30m處有一座三孔雙管柱板梁水泥橋，基上80m處有一彎道，基下60m有一彎道。基本斷面設斜坡水尺一組，渠道中間原來建設的自記水位計已經破舊，現已拆除，水位人工觀測。

渠道站自1974年以來實測多年平均流量17.5m3/s，最大流量69.9m3/s，最大含沙量為515kg/m3（1974年8月2日）；多年平均年徑流量5.514億m3、年輸沙量 2640萬 t。

由于在2000年測驗設施全面更新改造中，只完成了河道測流設施的改造，而渠道測流斷面上移后測流設施至今沒有建成，流量測驗長期借用1km外的寶雞峽渠首管理站的測流設備，站上的測流、取沙測驗工作很不方便,而且該斷面距離渠首放水閘較近,水流不穩,影響測驗精度。為了提高測驗精度，減輕職工勞動強度，實現渠道水位流量自動化測驗，2010年初，省水文局經過實地調查研究后，初步擬定了渠道測驗設施改造方案，為了確保方案的可行性，決定開展寶雞峽渠道測流斷面的流速系數分析工作。

一、試驗情況

1.測驗方法

按照《河流流量測驗規范》（GB50179-93）要求，在不同水位級上進行測驗。測流斷面和垂線固定，垂線根據水位級，每1m布設一條。在不同水位級的不同垂線上按照精測法的要求布設測速垂線及測點，同時進行流速儀三點法、水面一點法、0.6一點法測驗。在高、中、低不同水位級對比試驗，共測26次（每份流量為一次）。開展斷面平均流速與代表垂線平均流速的相關分析、與某垂線平均流速的相關分析、與某垂線水面流速關系相關分析。

2.儀器情況

在測驗過程中所使用的流速儀2架，儀器型號為LS25-3A，測速范圍，0.1635m3/s～10.0 m3/s。

3.測驗過程

由于原斷面沒有測流設施，本次試驗的測流斷面選在基上30m水泥橋上，為了提高測驗精度，加密垂線，從岸邊每1m布設一條垂線，實測水深。水深滿足時用流速儀三點法實測流速，同時用流速儀施測水面流速、流速儀0.6一點法實測流速。測驗過程，精度要求嚴格執行《河流流量測驗規范》（GB50179-93）。

4.實測資料的情況

從3月16日至6月25日，共測資料：三點法26次，水面一點法28次，0.6一點法27次。其中施測號第1次只測了流速儀水面，17次只測了流速儀水面和0.6一點法，無三點法。這次實測范圍，最低水位611.31m，最高水位613.81m，水位變幅2.50m。但最低水位611.31m，為施測號第17次，沒有三點法施測的，在分析中，沒參加計算。由于受寶雞峽渠首放水影響，很難測到低水，即10m3/s以下的流量。

5.測驗成果

資料成果情況為，實測流速儀三點法26次，0.6一點法27次，水面一點法28次，水面沒有系數，直接測的水面，岸邊系數均采用0.7。

6.水位流量關系分析

根據實測26次三點法資料，建立三點法實測流量與水位的關系。關系良好。

檢驗結果，標準差Se=3.97%，隨機不確定度為7.94%，系統誤差為0.21%。符合規范規定的關系定線精度指標。因此以三點法所測流速趨于真值，與垂線、水面流速建立相關關系進行試驗分析。

二、流速關系分析

1.資料綜合分析

方案的初步探索，為了減少工作量，避免盲目性，對收集的26次資料，即流速儀三點法、水面一點法、0.6一點法資料套繪了流速橫向分布圖。根據流速橫向分布情況,可以看出流速橫向分布在高、中、低各級水位的分布形狀大致相似。可采用統籌一致的方案，即相關分析法。還發現右岸流速大于左岸，原因是上游約80m處有一彎道，改變水流方向，使水流層紊亂，左岸出現渦流現象，影響流速使其偏小，造成整個斷面流速橫向分布反常。普遍情況為，6m~13m流速儀水面小于0.6一點法和三點法。總體來看，三點法所測流速橫向分布介于水面與0.6一點法之間。因此，以三點法所測資料為依據，分析流速系數。以上問題也是由于斷面選擇有問題。但目前由于條件限制，只能選用此橋斷面。

2.水面平均流速與斷面平均流速關系分析

水面流速系數分析的目的是為了簡化測驗，即只測三條垂線的水面流速，就可算出斷面平均流速，還能保證測驗精度。因為是試驗，所測資料布設垂線稠密，每次流量布設垂線均為1m一條垂線。但這樣工作量太大，根據測驗規范規定，水面寬＜50m，應布6條垂線（窄深河道）。因此，為了減少工作量和垂線數，尋找關系，用圖解法，從流速橫向分布圖上，用三點法斷面平均流速劃條橫線，與各條垂線相交對比后選用起點距8.0m、9.0m和10.0m三條較為接近斷面平均流速的垂線，再將這三條垂線（測點）平均，與三點法斷面平均流速建立相關關系。其中斷面平均流速是三點法斷面平均流速，水面平均流速是8.0m、9.0m和10.0m三條垂線的平均流速，通過分析來達到只測三條垂線的水面流速，就可算出斷面平均流速的目的。

經水文統計學進行相關計算，結果為：

相關系數：r=0.9440

回歸方程為：y=0.7098x+0.2556

3.某垂線平均流速與斷面平均流速關系分析

根據水力學的紊流理論和流速分布理論可知，每條垂線上不同位置的流速大小不同。為了達到只測一條垂線的流速，就能代表斷面平均流速的目的，即簡化了測驗，還能保證測驗精度。用所測三點法斷面平均流速(真值)與三點法所測各條垂線相關，選擇垂線。從流速橫向分布圖上，用斷面平均流速劃條橫線，為了減少工作量，用圖解法，結果為26次資料，與起點距9.0m和10.0m兩點各相交10次，與起點距9.5m相交6次。綜合考慮，因為此橋為鋼筋混凝土雙管柱板梁公路橋，它有三個孔，第二個孔位于雙管柱中心，也是起點距9.0m，橋全長為18.0m。故選擇斷面平均流速與垂線9.0m平均流速建立關系，進行相關分析計算。

通過水文統計學進行相關計算結果為：

相關系數：r=0.9811

回歸方程為：y=0.891x+0.0563

4.某垂線水面流速與斷面平均流速關系分析

為了尋找更簡化的測驗方法，即只測一個測點流速，就能代表斷面平均流速的目的，還能保證測驗精度，選擇了三點法斷面平均流速資料作為真值與流速儀水面各垂線相關，選擇垂線。從流速橫向分布圖上，用斷面平均流速劃條橫線，結果為26次資料與起點距8.0m相交6次,與起點距9.0m和10.0m兩點分別相交9次和7次進行相關計算。其中8.0m的相關系數為0.93248，9.0m的相關系數為0.9031，10.0m的相關系數為0.7745。因為8.0m和9.0m的相關系數均大于0.9說明相關關系都好，為了和三點法斷面平均流速與垂線（9.0m）平均流速關聯，故選擇用三點法斷面平均流速與垂線9.0m的水面流速建立關系，進行相關分析計算。

通過水文統計學進行相關計算結果為：

相關系數：r=0.9390

回歸方程：y=1.19x-0.1914

以上三個相關關系在相關計算中，︳r︳＞0.8，說明兩變量的相關程度密切，符合要求。合理性檢查中，標準差、隨機不確定度、系統誤差，均符合規范對一類站的技術指標要求。用所求關系與真值對比流速誤差，平均相對誤差、相對誤差均值小于3%，符合規范要求，結果是合理的，完全滿足測流精度。

三個試驗的相關系數，只適應水位級612.07m~-613.81m范圍，超過此水位級立即恢復正常測驗。

三、存在的問題

1）試驗分析斷面（基上30m處）流速橫向分布不均。原因是上游約80m有一彎道，改變了水流的形態，使右岸至左岸流速處于遞減趨勢。

2）試驗測橋起點距 6 m~7m與11m~12m處有直徑約0.5m圓形橋墩，水流受到橋墩的阻水影響。

3）資料系列較短，測次相對而言，還是有點偏少。受渠道正常引水量限制，低水測點偏少。

四、測驗方案

1.水位測驗方案

1）安裝電子水尺。電子水尺是遠程水位采集裝置，具有測量精度高，測量誤差小，設備安裝靈活方便，非常適合野外安裝，可應用于渠道上下游等處的水位自動測量和遠程傳輸，遠程監測，可以傾斜安裝（沿渠道斜面安裝），從而避免飄浮物對水流流態的影響。用電子水尺在線監測，在線顯示，遙測傳輸到分中心。傳輸方式可采用無線也可采用有線傳輸。

2）按規范要求設立傾斜水尺人工對比觀測。

2.流量測驗方案

1）在選好的斷面上建設架空測橋，橋測設備上應有測流用的動力系統、機械系統、操作控制系統、信號系統、記錄計算設備、測深儀器、鉛魚、流速儀、流速測算儀、無線通信設備等，夜間測驗應配置照明設備。橋上安裝計算機測流控制系統。在計算機控制下實現起點距、水深、流速自動采集和記載的自動化流量測驗系統。

2）測流方案，根據所裝設施設備及條件，可任選擇以下三種中的一種方法：

①水面平均流速與斷面平均流速關系分析。只測起點距8.0m、9.0m，10.0m三條代表垂線的水面流速，平均后，用所求關系求斷面平均流速。

②某垂線平均流速與斷面平均流速關系分析。只測起點距9.0m垂線平均流速，用所求關系求斷面平均流速。

③某垂線水面流速與斷面平均流速關系分析。只測起點距9.0m垂線的水面流速，用所求關系求斷面平均流速。

5 結論

通過本次試驗分析可知，流速儀水面、某垂線平均流速與某測點流速和斷面平均流速呈線性關系。而且施測某幾條垂線的水面流速、某一垂線平均流速和某測點流速可推求全斷面平均流速，進而計算出斷面流量。具有測驗簡單，精度較高，資料計算整理省時等優點，可以作為渠道測流的一種主要方法。對此法探討只是初步的，且是很淺的，所分析資料范圍較小，有待以后充實資料再繼續探討。也說明渠道流量測驗完全可以簡化，只要選好順直渠道，建設架空測橋，消除橋墩對水流的影響，并通過建設先進的水位和測速儀器設備，完全可以達到自動化測流或實時在線測流之目的，從而做好寶雞峽渠道科學調水、合理配水、安全輸水、計劃用水、節約用水、準確量水的工作。陜西水利