南水北調中線工程陶岔渠首供水計量與校核

黃朝君 徐新喜

摘要：為了準確計量調入南水北調中線干渠的供水水量，陶岔渠首共布設了3個時差法流量實時監測斷面和1個走航式ADCP測驗斷面。介紹了安裝在陶岔渠首樞紐的流量實時監測系統構成，渠首水量計量系統的技術原理、計量方法和精度，并對水量監測數據的復核、修正和統計中存在的問題及應對措施等進行了闡述。結果表明：1+300監測斷面數據偏差較小、精度更高，但仍需對流量計進行及時率定，對系統的精度和數據共享傳輸的穩定性進行持續觀察，并在運行過程中不斷改進和提高。

關鍵詞：流量監測;供水計量;誤差統計;陶岔渠首樞紐;南水北調中線水源工程

中圖法分類號：TV68

文獻標志碼：A

DOI：10. 15974/j .cnki.slsdkb.2020. 10.009

南水北調工程是我國重大戰略性跨流域水資源配置工程，是為解決京、津、冀、豫沿線二十多座城市轄區億萬居民生活用水及環境生態用水危機的民生工程。

2014年12月12日南水北調中線一期工程正式通水，至今已完成近6個水量調度年度供水計劃，中線水源工程自丹江口水庫通過陶岔渠首樞紐調入中線干線渠道的年度水量已由2014～ 2015年度的21.67億m3逐年增加到70多億m3，并將于2019～2020年度達到80億m3，累計向華北地區供水超過280億m3。陶岔渠首監測斷面全年水質持續穩定在地表水環境質量標準Ⅱ類以上，其中有343 d達到I類水質、22 d符合Ⅱ類水質標準，I類水質占評價總天數的94%。南水北調中線一期工程通水以來，從規劃設計之初的補充水源，正逐漸轉變成為沿線受水城市的主要飲用水源，惠及5 900萬城市居民，如：南水自流到北京頤和園內的團城湖后，依靠沿途設置的9級泵站將水頭抬高132.85 m.沿京密引水渠已反向給沿線十三陵水庫、桃峪口水庫、南莊水庫、懷柔水庫、密云水庫補水近10多億m3，此外，南水已占北京主城區自來水供水量73%以上。在2017年之后，南水就成為天津市城市居民生活用水的主力水源;河北省石家莊、邯鄲、保定、衡水主城區，南水占居民用水總量的75%以上;鄭州城區自來水80%以上是北調南水。隨著供調水量逐年提升，南北方水資源不均衡格局正在改變，華北地區水資源危機得以紓解，受水地居民飲用水的水質得到明顯改善。

在中央提出“五位一體”總體布局后，生態文明建設受到國家有關部委和地方的高度重視。2017年11月，在前期試點的基礎上，正式開始實施向北方受水區生態補水及地下水超采綜合治理行動，到2022年該項行動將北調南水至少60億m3用于華北地區生態及地下水超采治理恢復。據相關監測數據分析，實施生態補水及地下水超采綜合治理行動后，京津冀地下水水位下降趨勢已得到顯著遏制。2018年11月初的潮白河水源地地下水位與2015年試點補水前的地下水位相比平均升幅達15.37 m，地下水流場影響范圍約30 km3。目前，生態補水累計近30億m3，沿線城市河湖生態顯著優化，南水北調中線工程生態效益日益突顯。

丹江口水庫及位于河南淅川縣九重鎮的陶岔渠首樞紐作為南水北調中線工程的“水缸”和“水龍頭”，在向我國北方京津冀豫地區供水過程中發揮著南水北調中線水源水量儲備、引水流量監測控制、供水計量、水質監測等重要功能，是南水北調中線水源工程的主要組成部分，在保障防汛安全、供水安全、工程安全，支撐國家重大戰略實施，促進經濟社會和生態環境的可持續發展等方面，發揮著不可替代的巨大作用。

1 陶岔渠首流量監測系統構成

為了對調入南水北調中線干渠的供水水量進行計量，目前，陶岔渠首共布設了3個時差法流量實時監測斷面和1個走航式ADCP測驗斷面（見圖1）。

（1）陶岔渠首樞紐建設后期、正式通水之前，在陶岔渠首樞紐下游施工大橋附近、中線干渠樁號0+300位置布設了瑞士Rittmeyer超聲波流量計[1]。該流量計含8套超聲波探頭4層交叉聲路、1個水位計。2014年12月12日正式供水后至2019年5月期間，該斷面（圖1標號1處）是南水北調中線陶岔渠首的唯一水量計量斷面，是供調水數據的唯一來源。

（2）2018年中線建管局在陶岔渠首樞紐下游中線干渠樁號1+300位置布設了瑞士Rittmeyer超聲波流量計，含16套超聲波探頭8層交叉聲路。根據水利部要求，2019年5月1日該斷面（圖1標號2號）切換為供水交接計量斷面。

（3）漢江水文水資源勘測局于2019年初在陶岔渠首樞紐下游中線干渠樁號1+390位置（圖1標號3處）建設了國家基準水文測站，布設了德國Quantum有線時差法流量計，采用4層換能器8通道系統[2-3]。系統于2019年11月進入調試階段，目前已取得部分監測數據，數據連續性、完整性、準確性尚待檢驗。同時，另在1+300斷面附近布設了走航式ADCP測驗斷面（圖1標號4處），以檢驗該斷面流量監測成果精度和數據質量等。

流量監測系統（1）和（2）產出的數據經專用光纖和3G/4G無線傳輸信道（二者互為傳輸通道熱備份，以保證實時監測數據不中斷）傳輸至中線水源工程運行管理單位所設的丹江口數據監測中心，并實時在線推送給水資源監控能力建設項目長江流域平臺、中央平臺和南水北調中線工程運行管理相關單位等多個平臺，使用戶實現數據共享。實測斷面是丹江口水庫自陶岔渠首樞紐人中線干渠的交水斷面，所得到的數據作為陶岔渠首樞紐控制閘門開度的調整依據，同時也是進行水資源管理、調度計劃與實施管理、工程運行管理的依據。

（1）和（2）測量斷面均采用超聲波測量渠道中不同高度層面水流流速，對有效斷面進行積分得到通過測量斷面的流量。測量斷面安裝示意見圖2，適應渠道寬度為1～ 100 m，測量結果不確定度在±5%范圍內，由現地測量單元、換能器和供電及數據傳輸線纜、后臺工控機、數據處理單元等組成。現地測量單元采集獲得的原始流量測量數據通過RS485總線傳輸至后臺工控機、數據處理單元，完成監測系統實時流量的計算、積累、報警、數據存儲等功能。后臺工控機、數據處理單元（PLC）由數據服務器和相應的電子模塊組成。

2 陶岔渠首超聲波流量計技術原理

陶岔渠首樞紐超聲波流量計主要采用時差法測流速（如圖3所示），在測點上下游分別布置P1和P2換能器，其間距為L，流體流速為V，超聲波在靜水中的聲速為C。T2為超聲波沿水流方向傳播所經歷的時間（正向傳播時間），T1為逆水流向傳播所經歷的時間（逆向傳播時間）。

正（T2）、逆（T1）向傳播時間通過距離、速度公式表示：

流量測量系統考慮渠道中不同高程處流態分布的不均勻性，為了提高測量精度，采用8聲路布置方式（符合IS06416規程），如圖4所示。利用不同高程的多聲路流速換能器測量流速的同時，測量多聲路水位，然后用測得的流速對有效斷面進行積分，即可得到通過測量斷面的流量。

3 陶岔渠首供水量計量方法與精度

超聲波現地測量單元默認設置為每隔30 s采集1次流量數據Q，通過RS485總線傳輸至后臺工控機進行數據處理，以Q為基礎累加計算得到累計水量。2016年6月，利用原有丹江口水庫地震監測數據傳輸專用光纖線路，將陶岔水量監測數據遠程實時在線傳輸人丹江口數據監測中心的同時，對數據監測管理軟硬件系統進行了整體改造，將超聲波現地測量單元設置為每1 s采集1次流量數據。累計水量由每秒采集的渠道斷面總流量Q與間隔時間T相乘，得到1 min累計水量值V（m3），1 min內累計水量平均為每秒流量（m3/s）。所得數據以整時整分格式存儲在前置數據服務器的數據庫中，其他用戶終端均安裝同庫表結構的數據庫以實時同步數據，方便監測數據報告、導出計算、校核、確認。

2016～ 2019年，工程運行管理單位每年利用南水北調中線干渠渠道檢修、供水流量大幅調整的時機，聘請水文測量專業機構對0+300斷面流量計進行了多次比測率定。2017年9月上旬，干渠檢修時流量以每小時減少10m3/s的速度從120m3/s降至60 m3/s，檢修工作完成后陶岔渠首流量又以每小時增加10m3/s的速度增加至250m3/s，之后又回調至130 m3/s，整個過程持續了1周。率定結果顯示：0+300監測斷面按分鐘統計的流量監測數據精度在±10%范圍內。2018年7月中旬，陶岔渠首上下游（即丹江口庫水位、南水北調中線干渠水位）水頭差超過12 m，期間南水北調中線干渠流量在190～ 300m3/s區間多次調整，再次利用發電機組控制的實時下泄流量和0+300斷面流量計監測實時流量做跟蹤比測，結果再次表明，0+300監測斷面按分鐘統計的流量監測數據精度在+10%范圍內。

雖然0+300水量監測斷面自2016年整體改造后運行情況較好，但由于其位置接近閘門與發電機組出水口且處于渠首彎道處，水流流態紊亂，斷面與流向不垂直，水流狀態及條件均不符合相關規范，監測數據誤差范圍過大，監測數據質量難以滿足管理要求。工程運行管理單位決定于2019年5月1日將南水北調中線交水計量斷面轉換為1+300監測斷面。受工程運行管理單位的委托，漢江水文水資源勘測局在1+300斷面處布設了走航式ADCP測驗斷面，用于對1+300斷面監測數據的復測檢驗。該處渠段順直，水流平穩，兩岸為石砌混凝土護坡，斷面呈梯形，符合相關規范。

走航式ADCP斷面流量施測時采用纜道吊測，將三體船牽引繩連接在循環索金屬環上，人力拉動循環索帶動三體船勻速移動。根據陶岔干渠測量區段的水文條件、水深范圍及流速區間情況，比測單位選用了美國RDI公司“瑞江”牌ADCP設備。該設備具有頻帶寬、分辨率高、適應性好、故障率低等特點，在600 kHz的中低頻淺水工作模式（水深0.7～8m范圍內）時，測量誤差為3%～ 5%。

2019年3-11月，比測單位在陶岔渠首共測得32組走航式ADCP法施測的流量數據與0+300處時差法流量計監測對比數據。設定每次測驗渠道內水流為恒定流，以ADCP施測流量作為流量真值，取ADCP流量測驗從開始到結束時間內相對應的時差法在線監測流量平均值作對比分析，比測結果顯不，0+300斷面超聲波流量計監測結果偏大（見表1和圖5）。

在2019年5月1日至11月20日期間，該比測單位共取得31組走航式ADCP法施測的流量數據與1+300斷面時差法流量計監測對比數據。設定每次測驗渠道內水流為恒定流，以ADCP施測流量作為流量真值，取ADCP流量測驗從開始到結束時間內相對應的時差法在線監測流量平均值作對比分析。結果表明：比測隨機不確定度較小，1+300斷面監測數據相對于0+300斷面監測數據更接近走航式ADCP斷面測驗數據（見表2和圖6）。

從表1，2和圖5可以看出，走航式ADCP法施測的流量數據與相應時間區間內時差法流量計監測數據進行比較，結果表明：0+300斷面處時差法流量計在線監測流量數據整體系統性偏大，最大相對偏差14%，最小偏大5.7%，系統偏大10%，隨機不確定度達21.2%;1+300斷面處時差法流量計在線監測流量數據相對穩定，最大偏差-4.6%，系統誤差1.5%，隨機不確定度4.2%。1+300斷面處流量監測斷面較0+300處流量監測斷面監測精度高。

目前，我國尚無專門針對大型調水工程流量監測與計量的規范標準，能夠作為參照依據的是GB/T28714-2012《取水計量技術導則》和GB 50179-2015《河流流量測驗規范》，對于二者的適用性，尤其是否適合大型調水工程常年大流量的監測計量，并將計量結果直接用于水費結算，需開展進一步研究。普遍認為，精度標準應該更高。在《取水計量技術導則》4.4“取水計量誤差”中規定“明渠輸水時，限額以上取水時，誤差應≤+5%，限額以下取水時，誤差應≤+7%”。在《取水計量技術導則》5“明渠取水計量”中規定“實測流量計算按照GB50179的規定執行”“河（渠）寬<100 m可選用超聲時差法測流方法”“測流誤差小于+5%”。在GB50179中規定“比測有效次數不應少于30次”，且分一、二、三類精度水文站;在水資源管理方面，分高、中、低水位規定了允許系統誤差在一3.5%～1%，其中，一類精度水文站在高水位級水資源管理方面，置信水平為95%的總隨機不確定度時允許誤差為一1.5%～1%。顯然，1+300斷面監測精度較0+300斷面更符合《取水計量技術導則》，也更接近《河流流量測驗規范》要求。

4 陶岔渠首水量監測數據復核修正與統計

陶岔渠首流量監測斷面系統產出數據包括總干渠流量（瞬時流量m3/s）、累計水量（m3）、總干渠水位（m）。2016年工程運行管理單位以超聲波流量計每秒測得的斷面總流量數據為基礎，對實時監測數據管理系統進行了二次開發，將瞬時流量按分鐘、小時重新定義，計算并產出系列數據（見圖7）后做對比校核，其中按小時統計的干渠瞬時流量用作閘門開度調整的參考（見圖8）。

系統產出的累計水量數據并不能直接運用和確認。在實際計量、復核過程中，首先要根據當月調度目標流量對當月供水水量進行總體匡算，當月監測斷面系統顯示累計供水量與按目標流量匡算水量出現超出+3%以上范圍的差率時，就要對照查找差值點與時間段，及時溝通供水與受水雙方，共同對缺失監測數據進行確認。出現造成監測數據缺失的情況，需要按對應方法進行檢查，修正和補錄統計錯誤與缺失數據。

（1）數據處理工控機（服務器）出現因軟件程序崩潰導致數據庫無法更新時需要手動重啟。從軟件崩潰到人為恢復期間，因該監測系統數據源、工控機和服務器均沒有備份，缺失的累計水量數據只能依據南水北調工程運行管理單位總調度中心下達的《關于調整陶岔渠首人總干渠流量的函》的目標流量與缺失時間段長度進行計算后補錄加總統計。

（2）斷面流量監測系統未配備不間斷UPS電源，當供電中斷時流量計PLC或服務器停機，則斷電期間的累計水量數據丟失。因這種情況導致的數據缺失無法參考實時瞬時流量，只能依據該時間段的調度目標流量進行數據計算補缺。

（3）監測系統設備更換維修和閘控系統檢修維護時亦會造成監測斷面系統停工和數據長時間缺失，對此要依據該時間段的調度目標流量進行數據計算補錄匯總。

5 結論

陶岔渠首樞紐人干渠流量監測統計數據是國家水行政主管部門、長江流域管理機構以及南水北調中線水源、干線工程、丹江口水庫運行管理單位共享共用的唯一數據源，關系漢江流域防汛安全與南水北調中線一期工程運行調度安全和供水安全，必須做到實時、準確、權威發布和共享。因此，陶岔渠首人干渠流量監測與統計工作以24 h實時監測統計、突發故障實時應急響應處置的方式進行。

0+300監測斷面受設備安裝位置限制與影響，監測數據偏差較大，目前已被批準經率定后繼續監測，作為1+300斷面的參考斷面、備用斷面和陶岔樞紐閘門開度的參考依據。轉換交水監測斷面后，1+300斷面監測數據偏差較小、精度更高，但仍需及時對流量計進行率定，對監測系統的精度質量和數據共享傳輸的穩定性進行持續觀察，并在運行中不斷提高和完善。南水北調中線干渠上所有調度、分水計量設施均已接人獨立組網的閘控網絡安全系統，1+300斷面的產出數據進入閘控系統后，通過特許數據輸出端進行分享推送。因此，監測斷面、閘控系統、網絡傳輸等系統的設施設備故障均可導致實時監測數據的中斷，要從數據鏈路結構設計和設備性能配置方面改進以確保其穩定性。經過2019年下半年幾個月的實際運行監測，1+300監測斷面數據因設備維修、檢定、故障等造成缺失的情況多次出現，對監測與數據系統參數調整與設備維護效率提出了更高要求。而水行政主管部門、流域管理機構在陶岔渠首1+390位置處建設的國家水文監測斷面，目前還未正式驗收投入使用，該斷面監測數據尚未接人工程運行管理單位監測數據遠程實時傳輸系統。

因此，為了給南水北調中線工程運行管理及水量調度提供更加真實、可靠、科學的數據，目前可行的對策是：①對0+300斷面設備進行率定、參數調整以縮小系統偏差，繼續保持對0+300斷面的監測，發揮該斷面的調度備用與復測參考作用;②對原有監測數據遠程實時傳輸系統進行擴展延伸，待1+390國家水文監測斷面驗收投運后商洽接人該斷面監測數據，用于1+300監測斷面的備用和復測檢驗。更為緊迫和重要的是對1+300交水計量斷面進行系統重構和改造完善，提高精度和穩定可靠性，以確保該斷面監測數據和實時共享傳輸的連續、穩定、完整、相對準確。在實際工作中，1+300監測斷面數據可能存在錯誤、遺漏與缺失，需要依據監測系統運行情況、調度目標流量進行計算、復查、校核、補錄調整統計匯總后才能用于供水數據報告、交水計量確認和水費結算。

參考文獻：

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（編輯：李慧）

作者簡介：黃朝君，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程建設與運行管理工作。E-mail：hcj@zxsygs.com