一種輸水渠道淤積量的快速測(cè)量方法

2016-06-17 05:42:26宗理華崔慶福南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司山東濟(jì)南250014

山東水利 2016年3期

宗理華，張　林，崔慶福（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014）

宗理華，張林，崔慶福
（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014）

【摘要】利用ADCP探測(cè)水深的功能和基于渠道斷面的走航測(cè)量方式，本文提出一種快速測(cè)量渠道淤積量的方法，推導(dǎo)了淤積量計(jì)算公式，并在濟(jì)平干渠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。理論和試驗(yàn)表明，利用ADCP來(lái)測(cè)量渠道淤積量是可行的，并具有精度高和效率高的特點(diǎn)，值得在清淤工程中推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】南水北調(diào)；輸水渠道；淤積；ADCP

南水北調(diào)工程為實(shí)現(xiàn)渠道輸水流量的快速測(cè)量配置了ADCP，利用ADCP探測(cè)水深的功能和基于渠道斷面的走航測(cè)量方式，本文提出了一種快速測(cè)量渠道淤積量的方法，較傳統(tǒng)的測(cè)繩法大幅提高了測(cè)量效率和測(cè)量精度。

1　 ADCP測(cè)量渠道淤積量原理

ADCP全稱聲學(xué)多普勒流速剖面儀，因能夠?qū)崿F(xiàn)走航式快速測(cè)量，近年來(lái)廣泛用于河流、海洋的流量、潮流測(cè)量。當(dāng)用于明渠測(cè)流時(shí)，ADCP安裝在微型測(cè)量船上，通過(guò)繩索拉動(dòng)測(cè)量船橫移通過(guò)渠道斷面，ADCP向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，聲波碰到水中的懸浮顆粒物（泥沙顆粒等）發(fā)生散射，因懸浮顆粒物與測(cè)量船之間存在相對(duì)速度，回波會(huì)產(chǎn)生頻移，ADCP接受和處理回波信號(hào)，利用多普勒頻移原理進(jìn)行分析，測(cè)得懸浮顆粒物的矢量流速。ADCP根據(jù)自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，將橫移軌跡斷面劃分成若干網(wǎng)格區(qū)域，根據(jù)懸浮顆粒物流速可計(jì)算其所處網(wǎng)格區(qū)域的平均流速，通過(guò)斷面積分就得到了渠道斷面流量。

ADCP測(cè)流的一個(gè)附帶成果就是能夠測(cè)得水深，及流速為零的橫移軌跡斷面的水下邊界形狀。如果控制橫移軌跡斷面為渠道過(guò)流斷面，與已知的渠道設(shè)計(jì)尺寸相對(duì)比，則可得到過(guò)流斷面淤積厚度分布，通過(guò)計(jì)算可得過(guò)流斷面的淤積面積。沿渠段多測(cè)得幾個(gè)斷面，即可擬合得到渠段內(nèi)的淤積面積分布，從而可以積分得到渠段的淤積量。

2　斷面淤積面積的計(jì)算方法

2.1測(cè)量坐標(biāo)系

山東南水北調(diào)工程使用的是美國(guó)RDI公司的瑞江系列ADCP，配置WinRiver軟件，可直接輸出各測(cè)點(diǎn)的水深hi和橫移長(zhǎng)度li。設(shè)測(cè)量過(guò)程中的坐標(biāo)系為x＇-o＇-y＇，即以ADCP橫移起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以ADCP橫移方向和水深方向?yàn)閤＇、y＇坐標(biāo)，則各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為：

2.2渠道設(shè)計(jì)斷面型線

渠坡的上部一般不會(huì)淤積，所以對(duì)左、右渠坡的上半段的測(cè)量數(shù)據(jù)L1～Ln和R1～Rn按照設(shè)計(jì)邊坡系數(shù)a1和a2進(jìn)行線性擬合，即可得到左、右邊坡型線的方程式：

再根據(jù)水位和設(shè)計(jì)渠道設(shè)計(jì)高程得到水深H，將0和H分別作為y＇坐標(biāo)帶入式（2）中，即可確定出左、右渠坡與渠底和水面線的交點(diǎn)C1、C2、C3、C4的坐標(biāo)，連接以上四點(diǎn)即得到水下渠道設(shè)計(jì)斷面的型線，如圖1所示。

圖1　渠道設(shè)計(jì)斷面型線

2.3坐標(biāo)變換

設(shè)立笛卡爾坐標(biāo)系x-o-y，以C2為坐標(biāo)原點(diǎn)，按式（3）對(duì)前述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)變換。

將式（3）代入式（2）中，整理可得到新坐標(biāo)系下的左、右側(cè)渠坡的方程式為：

其中b=H-b2+a2/a1（b1-H）

2.4淤積曲線特征點(diǎn)

按x坐標(biāo)排列測(cè)量點(diǎn)，對(duì)于左渠坡型線，取偏差超過(guò)2倍平均擬合偏差且位于型線右側(cè)的第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)為淤積始點(diǎn)P1。對(duì)于右渠坡型線，取偏差超過(guò)2倍平均擬合偏差且位于型線左側(cè)的第一個(gè)點(diǎn)為淤積終點(diǎn)P4。以C2、C3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x坐標(biāo)點(diǎn)為P2、P3點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　斷面淤積面積

2.5斷面淤積面積

對(duì)P1～P2、P2～P3、P3～P4之間的測(cè)點(diǎn)分段擬合為曲線Yp1p2、Yp2p3、Yp3p4，擬合曲線與渠道設(shè)計(jì)斷面型線之間的面積即為淤積面積A，可以按式（5）分段積分計(jì)算。

3　淤積量測(cè)量試驗(yàn)

采用前述方法，對(duì)山東南水北調(diào)濟(jì)平干渠樁號(hào)30+712～31+135之間的渠段進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)控制ADCP橫移軌跡斷面接近渠道過(guò)流斷面，并在試驗(yàn)后選用一個(gè)非淤積點(diǎn)，采用測(cè)繩人工測(cè)量水深，與ADCP測(cè)量結(jié)果和設(shè)計(jì)推算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。人工測(cè)量水深為2.72 m，ADCP測(cè)量為2.73 m，設(shè)計(jì)推算為2.71 m，可見(jiàn)三者非常接近，ADCP測(cè)量結(jié)果是可信的。

圖3為樁號(hào)30+992斷面的測(cè)量結(jié)果顯示，該斷面位于彎道，右側(cè)為凸岸，左側(cè)為凹岸。測(cè)量結(jié)果顯示渠道凹岸側(cè)淤積較小，最小淤積厚度僅2 cm，而凸岸側(cè)淤積較大，最大淤積厚度45 cm。