觀瀾橋流量在線監(jiān)測與人工監(jiān)測對比分析

劉思若，李君宇，蔣國民

1 人工監(jiān)測方法

1.1 斷面情況

1）觀瀾橋測流斷面選定在趵突泉泉池北部出口，河段順直、穩(wěn)定，斷面形狀規(guī)則，沿程變化均勻。2）河段內(nèi)無暗礁、深潭、跌水等阻礙正常水流。河段內(nèi)水流集中，無分流、岔流、回流、死水等情況。3）水流流向基本與橋軸線垂直，橋體跨度較小，河道內(nèi)無橋墩阻礙水流。

1.2 流速儀選擇

根據(jù)該測流斷面歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，最小流速接近于0，最大流速小于0.1m/s，故選用測量范圍為0.01～0.5m/s的LB－50型低速旋杯流速儀。

1.3 測流方法選擇

觀瀾橋測流斷面選用流速面積法進行監(jiān)測，按斷面流速分布規(guī)律，在斷面布置若干測深、測速垂線，以控制過水斷面面積和斷面流速變化；在測深垂線上測量深度，在測速垂線上測量流速，通過相鄰垂線平均流速計算對應面積的平均流速，相鄰垂線間的面積乘以對應面積的平均流速獲得該面積部分的流量，累加各面積部分的流量即為斷面流量。觀瀾橋測流斷面寬6.0m，分別在距起點為1.5m、3.0m、4.5m處設置測深測速垂線，一般情況下采用在相對水深0.2、0.8處施測的兩點法測流，在流速超出測量范圍時采用水面流速法測流。

1.4 測流頻率

一般情況下每周監(jiān)測一次，在趵突泉地下水位急劇下降或者水位較低時加密測量。

2 SONTEK-IQ實時流量在線監(jiān)測法

在泉水流量監(jiān)測過程中，由于測流斷面流速小，經(jīng)常出現(xiàn)接近甚至低于流速儀最低測速范圍的情況，傳統(tǒng)的流量監(jiān)測設備已經(jīng)無法滿足監(jiān)測精度要求，濟南市水文局引進了SONTEK－IQ實時流量在線監(jiān)測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的流量測驗儀器相比，具有實時在線分析、高分辨率、高精度等優(yōu)點。SONTEK－IQ產(chǎn)品由美國YSI公司出品，可根據(jù)用戶自定義的計算方法進行流量測驗。4個測速波束可獲得垂直和水平的流速剖面，以確保覆蓋整個流速范圍。內(nèi)置的壓力傳感器和垂直波束用于測定水位。只需在SONTEK－IQ軟件中簡單的輸入渠道幾何數(shù)據(jù)，即可在幾分鐘內(nèi)獲得流量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)適用于水文部門對中小河流、輸水明渠、城市排水河道等水文參數(shù)的監(jiān)測。

2.1 斷面情況

該斷面布設在觀瀾橋監(jiān)測斷面下游15m處，河段順直、穩(wěn)定，斷面形狀規(guī)則，沿程變化均勻。河段內(nèi)無暗礁、深潭、跌水等阻礙正常水流。河段內(nèi)水流集中，無分流、岔流、回流、死水等情況。

2.2 流速儀概況

SONTEK－IQ系統(tǒng)安裝于河道測流斷面底部，采用多普勒頻移的物理原理進行測量流速，測量沿著水流方向的流速和使用斜向的波束測量水平方向的流速，水位可以由垂直波束和內(nèi)置集成的壓力傳感器來確定。該系統(tǒng)使用4個換能器發(fā)射的波束來測量流速，2個沿著軸線方向的波束和2個斜向的波束。1）沿著軸線方向的波束與垂直方向的軸線成25°的夾角。2）斜向的波束與垂直方向的軸線成60°的夾角，與明渠中心（水平）軸線的夾角也是60°。

2.3 測流方法

SONTEk－IQ系統(tǒng)實時測量水流的速度和水位，加上由用戶提供的測流斷面的幾何尺寸，可以計算得到流量和水量。SONTEK－IQ系統(tǒng)支持不同環(huán)境和條件的流量計算。流量計算采用基于SONTEK－IQ系統(tǒng)實測的垂直流速剖面部分的流量理論計算方法，指標流速率定采用以下公式計算：

V=V1+V2×（V3+sh）

V為斷面平均流速，m/s；V1為由用戶提供的流速偏差（截距），m/s；V2為 IQ 實測的流速，m/s；V3為由用戶提供的流速比例因子（無單位）；s為由用戶提供的水深系數(shù)，1/s；h為實測的水位（總水深），m。

2.4 測量頻率

該系統(tǒng)設置為每20min接收一次斷面水文數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)對比分析

濟南市水文局采集了2017年6月以來的21組實測流量值與相應的實時監(jiān)測值進行對比分析，見表1。建立兩者相關(guān)關(guān)系，點繪實測數(shù)據(jù)與SONTEK－IQ遙測數(shù)據(jù)相關(guān)圖見圖1～圖2。兩者基本呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.912，相關(guān)性較好。比測誤差尤其是在低流量下大多小于5%，但仍有誤差超過20%的情況。

根據(jù)觀瀾橋斷面實際情況分析，造成誤差的主要原因有以下幾方面：1）低流速下旋杯式流速儀的精度誤差；2）SONTEK－IQ系統(tǒng)水位、水深測量誤差；3）流速脈動引起的垂線流速測量誤差；4）借用斷面面積與斷面實際面積之間的誤差；5）SONTEK－IQ系統(tǒng)參數(shù)設置與實際情況的誤差。

表1 流量數(shù)據(jù)及誤差

圖1 流量對比圖

圖2 數(shù)據(jù)相關(guān)圖

4 結(jié)語

通過對趵突泉觀瀾橋斷面SONTEK－IQ監(jiān)測與人工實測流量資料的對比分析，建立兩者的相關(guān)關(guān)系，其測驗誤差基本符合規(guī)范要求。尤其是在低流速流量下，SONTEK－IQ實時在線流量監(jiān)測的可靠性和方便程度超過人工。對于出現(xiàn)的比測超差情況應繼續(xù)進行觀測查明原因，提高自動檢測系統(tǒng)在各種流量情況下的可靠性。SONTEKIQ實時在線流量監(jiān)測系統(tǒng)比人工監(jiān)測穩(wěn)定性更高，對斷面流量變化過程的可監(jiān)測性對于節(jié)水保泉、水資源利用分析以及未來的泉水預測預報有較高的數(shù)據(jù)利用價值。