SonTek-IQ與雷達(dá)水位計(jì)在輸水工程試算糙率中的應(yīng)用

賈銘洋

（遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧遼陽(yáng)111000）

SonTek-IQ與雷達(dá)水位計(jì)在輸水工程試算糙率中的應(yīng)用

賈銘洋

（遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧遼陽(yáng)111000）

糙率在輸水工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，如果選取的糙率值偏大，則會(huì)高估渠道的阻力，使斷面設(shè)計(jì)加大，增加工程投資；若選取的糙率值偏小，則設(shè)計(jì)的渠道斷面偏窄，實(shí)際通過(guò)流量無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此合理選取糙率的意義非同一般。

SonTek-IQ；糙率；流量；比降面積法

1 概述

糙率的選取在輸水工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，往往是根據(jù)選用的材料在教科書(shū)或相關(guān)手冊(cè)中按單元定值進(jìn)行計(jì)算。但對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程，考慮到斷面形狀、面積、底面坡度及斷面表面的粗糙度等因素，輸水工程糙率系數(shù)的選擇就尤為關(guān)鍵了。如果在輸水工程中選取的造率值偏大，則會(huì)高估渠道的阻力，使斷面設(shè)計(jì)加大，增加工程投資；若糙率值偏小，則設(shè)計(jì)的渠道斷面偏窄，實(shí)際通過(guò)流量無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此合理選取糙率的意義非同一般。

2 SonTek-IQ與雷達(dá)水位計(jì)在輸水工程糙率的應(yīng)用

2.1 SonTek-IQ工作原理

SonTekIQ是一種收發(fā)兼容的多普勒流速儀，它是采用一種稱(chēng)之為多普勒頻移的物理原理來(lái)測(cè)量流速的。它的工作原理是:如果一個(gè)聲源相對(duì)于接收體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收體接收到的聲波頻率與發(fā)射頻率就會(huì)有差異（頻移，頻率移動(dòng)）。對(duì)于多普勒流速儀，可以用以下的公式表示:

式中:Fd—接收體的頻率變化（多普勒頻移）；F0—發(fā)射聲波的頻率；V—聲源與接收體間的相對(duì)速度，速度為正，表示二者間距離在增加；C—聲速。

2.2 雷達(dá)水位計(jì)工作原理

水位傳感器主要是可通過(guò)接觸或非接觸方式感測(cè)各種水域的水位，并自動(dòng)轉(zhuǎn)化為格雷碼或4～20m A等電量送數(shù)據(jù)采集器定時(shí)采集處理。數(shù)據(jù)采集器定時(shí)采集處理后的有效數(shù)據(jù)同時(shí)送顯示屏顯示、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和無(wú)線(xiàn)發(fā)射器（數(shù)傳電臺(tái)或G SM）發(fā)射傳輸。置數(shù)鍵盤(pán)是用于設(shè)置、修改、查看數(shù)據(jù)采集儀中的各種參數(shù)。儀器的供電由電池組供給12V直流電源，太陽(yáng)能電池板負(fù)責(zé)通過(guò)充電控制器為電池組浮充電源。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示:

圖1 水情遙測(cè)儀原理示意圖

3 輸水工程試算糙率應(yīng)用

3.1 斷面布設(shè)

隧洞試驗(yàn)段總長(zhǎng)1000m，共布設(shè)5個(gè)斷面。每個(gè)斷面間距250m，其中1#（起點(diǎn)距1450m）、4#（起點(diǎn)距2200m）、5#（起點(diǎn)距2450m）為水位監(jiān)測(cè)斷面，2#（起點(diǎn)距1700m）、3#（起點(diǎn)距1950m）為流量監(jiān)測(cè)斷面。5處監(jiān)測(cè)斷面，可取得3組（比降面積法）分析糙率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。1#、3#、5#一組，1 #、2#、3#一組，2#、3#、4#一組。斷面位置見(jiàn)圖2。

圖2 斷面布設(shè)示意圖

3.2 斷面情況

隧洞為城門(mén)洞形，底寬3.6～3.8m，直墻高1.8～1.9m，拱半徑約1.85m，隧洞底板較為光滑，但不平整，有明顯的起伏。底板兩側(cè)均勻分布有排水管，間距5m左右。地面有積水，水深3～5cm。流速不大，但能夠觀測(cè)到水面流動(dòng)。側(cè)墻表面凹凸不平，有明顯波浪式起伏，壁面潮濕，用手觸摸有較強(qiáng)的摩擦感。硬度大，鋼釘釘入困難。

3.3 斷面橫比降

在隧洞內(nèi)離底板約1.9m處，側(cè)墻上有一條明顯的水痕線(xiàn)，為隧洞引水最高水位時(shí)留下的洪痕。

為避免橫比降的影響，對(duì)各測(cè)試斷面進(jìn)行了橫比降測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，1#斷面（起點(diǎn)距1450m）橫比降為0.6cm，5#斷面（起點(diǎn)距2450m）橫比降為0.5cm。其他三處斷面無(wú)橫比降。

3.4 流量測(cè)驗(yàn)

根據(jù)引水閘門(mén)開(kāi)啟高度及引水情況繪制各斷面引水過(guò)程的水位過(guò)程線(xiàn)～流量過(guò)程線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，水位走勢(shì)與流量走勢(shì)完全一致，關(guān)系良好，無(wú)奇異點(diǎn)。在流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，流量計(jì)性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均正常。流量計(jì)部分監(jiān)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)圖4～圖7。

圖3 水位～流量過(guò)程線(xiàn)

圖4 水深過(guò)程線(xiàn)

圖5 流量過(guò)程線(xiàn)

圖6 四波束流速分布

3.5 水面線(xiàn)確定

根據(jù)水位過(guò)程線(xiàn)，在10組有效的引水過(guò)程中，在每次洪峰附近選取3～7組穩(wěn)定的水位數(shù)據(jù)，繪制各水位級(jí)峰頂附近的水面線(xiàn)。各次洪峰峰頂附近水面線(xiàn)穩(wěn)定，趨勢(shì)合理。從各次洪峰中選取線(xiàn)形走勢(shì)最合理的一條水面線(xiàn)，做為該水位級(jí)的水面線(xiàn)。水面線(xiàn)成果見(jiàn)圖8。

3.6 基于比降面積法的糙率計(jì)算

（1）用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用比降面積法對(duì)隧洞糙率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)公式:

圖7 雷達(dá)波速圖

式中:Q—流量（m3/s）；Au、AL—比降上、下水道斷面面積（m2）；g—重力加速度（m/s2）；L—比降上、下斷面間距（m）；S—水面比降；ζ—局部阻力系數(shù)。當(dāng)河段收縮時(shí)取0，逐漸擴(kuò)散時(shí)取0.3；α—?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)，取1.1；—河段平均輸水率。

（2）河段平均輸水率按下列公式計(jì)算:

式中:n—河段糙率；Am—比降中斷面水道斷面面積（m2）；Ru、Rm、RL—比降上、中、下斷面的水力半徑（m）；
三組比降面積法數(shù)據(jù)糙率計(jì)算成果詳見(jiàn)表1。

圖8 水面線(xiàn)成果圖

表1 比降面積法糙率計(jì)算成果表

4 結(jié)論

（1）由于來(lái)水量的限制，主要進(jìn)行了水深1.20m以下10個(gè)不同水位級(jí)的流量測(cè)驗(yàn)，獲得的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

（2）本次流量測(cè)驗(yàn)及糙率分析成果是基于當(dāng)時(shí)來(lái)水量條件和引細(xì)入湯隧洞具體情況的測(cè)量成果，該糙率成果如果應(yīng)用于其他工程，應(yīng)結(jié)合具體情況分析確定。

（3）8月份細(xì)河流域無(wú)大降雨過(guò)程，河道來(lái)水量小，攔河壩蓄水量有限，當(dāng)引水閘門(mén)打開(kāi)引水后，壩上水位會(huì)持續(xù)下降，流量穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間短。

（4）為防止隧洞內(nèi)泥沙淤積對(duì)流量計(jì)的影響，流量計(jì)安裝高度距地面10cm，加之流量計(jì)的盲區(qū)為8cm，這樣，在低水位時(shí)會(huì)造成一定的測(cè)驗(yàn)誤差。而且，水深越小，影響越大。

［1］趙瑞娟.輸水隧洞水力糙率原型觀測(cè)試驗(yàn)研究［D］.西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

［2］韓立.大直徑混凝土隧洞的糙率問(wèn)題［J］.云南水電技術(shù)，2000（04）:64-68.

［3］李效賢.長(zhǎng)距離輸水管道糙率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［J］.山西水利，2005（03）: 56-57.

TV133

B

1672-2469（2015）10-0048-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.15

賈銘洋（1983年—），男，工程師。