裕溪閘站在線流量監測與實測流量比測分析

周喚喚

(安徽省農村飲水安全技術中心,安徽 合肥 230041)

河流流量是單位時間內通過江河某一橫斷面的水體體積,是反映江河等水體水量變化的基本數據,也是河流重要的水文要素之一[1-2]。準確、快速、便捷的河流流量測量技術是數據準確的根本保障[3],對于流域與河口的水資源管理與環境保護等有著重要的現實意義。

河流流量監測是洪水預報和水資源計算的重要數據基礎,是水文分析服務深化的重要手段[4]。傳統的河流流量測驗方法包括人工船測、涉水測量、纜道測量和橋測等,需要在測流斷面上布設多條垂線,并在每條垂線上測量流速與水深,得到垂線平均流速從而得到斷面平均流速,費工費時,效率較低[5]。隨著國民經濟和社會的發展,各種行業對水文信息監測的時效性要求日益增高,傳統水文測驗由于測驗技術手段的制約,導致時效性較差。近年來,國家對水利行業加大投入,中小河流水文監測能力進一步提升。最嚴格水資源管理制度的實施,要求流量實行在線監測。在線流量監測將極大地提高測流效率,提升我國水文測驗行業的能力和水平[6]。

傳統流量監測以人工監測為主,需要大量人力成本,隨著現代化流量監測技術(如超聲波時差法、側掃雷達在線流量法、高性能視頻水面流速法、電磁法、點流速雷達在線流量法、水平式ADCP在線流量法等)在河流流量測量中的推廣及廣泛應用[7-9],按照小時或分鐘對河流水文要素進行實時監測在大部分的河流斷面得以實現。隨著流量在線監測技術手段不斷完善提高,越來越多的河流斷面實現了流量的在線監測,但在部分特殊河道斷面,如受潮汐影響的大江大河的流量測驗中,在線監測手段仍面臨較大的挑戰,一般采用水平式[10]、垂直式ADCP[11]的方式進行監測。

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是當前在我國逐漸興起的一種新型測流儀器,具有操作方便、快速高效、穩定可靠等優點[12]。安徽省蕪湖市的裕溪閘水文站一直以來存在實測流量頻繁、測流任務繁重等問題,近年來,隨著ADCP在技術上日益完善,以及無線通信技術的快速發展,解決裕溪閘水文站流量測驗問題具備了切實可行的技術條件。蕪湖水文局引進了在線監測流量系統,根據代表線法測流原理,采用走航ADCP結合纜道控制系統,裕溪閘水文站成功地實現了斷面流量、流速的實時監測。結合裕溪閘水文站的水文特性和流量監測設備的使用,本文對裕溪閘水文站在線監測流量與實測流量進行比測分析,判斷自動流量監測系統的準確性、穩定性、可靠性及在裕溪閘水文站的適用性。研究成果可為類似河段其他水文站的流量實時在線監測應用提供新的技術方案,具有良好的推廣價值。

1 測站基本情況

1.1 測站概況

裕溪閘水文站位于安徽省蕪湖市鳩江區裕溪閘,是裕溪河出口,巢湖水系主要控制站、水功能區監測站、裕溪閘調度控制站、水資源控制站,主要為防汛抗旱、水資源和水質監測等提供服務。

裕溪閘水文站集水面積為12940km2。斷面河道順直,系人工開挖,兩岸有堤防。流量測驗斷面在閘上140m處,測驗河段為單式河床,斷面左岸為節制閘與船閘間的導流堤,高程12.10m,當水位超過12.10m時,出現漫堤與船閘水道連為一片。斷面右岸為備建船閘導流堤,高程12.00m,當水位超過12.00m時,右岸水面較寬。上游1.5km右岸有排澇站一處。

裕溪河河道全長60.4km,其中巢湖閘至裕溪閘間56.5km,裕溪閘至河口間3.9km,比降為1/34000。

1.2 測流斷面特性

流量測驗斷面在裕溪閘上游140m處,測驗河段順直,兩岸有圩堤,堤頂高程左岸13.60m、右岸12.90m(凍結基面),河道主槽居中;裕溪閘下游為長江。該河段河床穩定,斷面沖淤變化小,多年變化不超過±3%;斷面有水草等植物生長。裕溪閘站受閘門變化影響,水位會出現陡漲陡落。受潮汐影響,裕溪閘站流量測驗任務較為繁重。

裕溪閘站流量測驗以滿足定線、推求逐日流量和各項特征值為原則,同時還應滿足防汛調度和抗旱的要求,流量測量要滿足實測流量過程線定線推流要求,每年根據閘門開啟孔數、高度、流態及相關因素的變化等,合理安排流量測次,流量測次滿足實測流量過程線法推流要求。

2 測流斷面特性

2.1 裕溪閘水文站在線測流系統

2.1.1 雙垂線法測流原理

雙垂線法ADCP在線測流系統,由ADCP施測斷面中泓兩側的兩條垂線流速,根據垂線流速計算模型,計算出符合規范要求的若干條垂線流速,用部分流速面積法計算流量。這種推流方法不是代表垂線法,其核心是二線能坡法流量計算模型。

雙垂線法流量計算模型主要參數常用于明渠流量或速度經驗公式,適用于均勻流,采用曼寧公式進行計算:

(1)

式中:v為速度,m/s;k為轉換常數,國際單位制中值為1;n為糙率,是綜合反映河床粗糙情況對水流影響的一個系數,其值一般由實驗測得,使用時可查表選用;Rh為水力半徑,是流體截面積與濕周長的比值,濕周長指流體與明渠斷面接觸的周長,不包括與空氣接觸的周長部分;S為明渠的比降。

2.1.2 雙垂線法流量計算模型說明

借助水力學模型建立流速與比降關系,代入曼寧公式,求解出比降和垂線流速,最后根據部分流速面積法推導出斷面流量,從而使成果精度顯著提高,并借助等效流量原理,解決多種非恒定、非均勻流條件下流量的計量問題。

a.建立比降與流速關系。在非均勻流條件下,由于超出了曼寧公式的適用范圍,即使水面比降觀測得再準,也不能用曼寧公式求得準確結果。為此,改用兩條實測垂線流速反求比降的方法。

根據河流特性,假定一個水面比降S′的值,根據河段和斷面資料劃分出斷面的分塊糙率,用上述方法計算出第i條垂線流速。用第i條實測流速v′i作為已知的條件,則參數計算公式為

S=(vi/v′i)S′1/2

(2)

式中:S為第i條垂線比降參數;vi為第i條垂線實測流速,m/s;v′i為曼寧公式計算的流速,m/s;S′為假定比降。

b.求解比降參數。當斷面設有兩條實測流速垂線時,可求得兩個比降參數,左邊垂線至左岸各垂線流速計算采用左垂線的比降數值,中間部分垂線采用左、右兩垂線比降參數的差值按線性內插法計算各垂線流速,右垂線至右岸之間垂線采用右垂線比降參數計算各垂線流速。

c.求解比降參數。代入曼寧公式計算矩形斷面和三角形斷面改正系數,利用實測左、右兩條垂線流速v左、v右之和的平均值求得各垂線間的流速。

2.2 裕溪閘水文站大斷面圖

大斷面測量的范圍應為水下部分的水道斷面測量和岸上部分的水準測量。水道斷面的水深測量結果應換算為河底高程,岸上部分應測至歷年最高洪水水位以上0.5～1.0m,見圖1。

圖1 裕溪閘水文站大斷面

2.3 ADCP安裝航標燈船型浮標體的布置

裕溪閘水文站航標燈浮體安裝ADCP流量監測站情況見圖2,經過數據的初步分析,現將1號、2號ADCP的位置設定為起點距的55m和135m。

3 流量比測

流量比測成果統計以走航ADCP測流法的實測流量成果為標準值,本次選用209個實測流量Q實與相應的在線流量Q線進行對比(見表1),并進行符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗。符號檢驗是檢驗設定的關系曲線兩側測點數是否均勻合理;適線檢驗是檢驗測點曲線正、負符號的排列情況;偏離檢驗是檢驗點偏離關系曲線的平均相對誤差是否在合理范圍內。依據結果,判斷其關系曲線是否合理,不合理則需重新確定新的關系曲線。

表1 裕溪閘站Q實-Q線關系曲線檢驗計算(K=1.00)

依據《水文資料整編規范》(SL/T 247—2020)要求,選取裕溪閘流量關系曲線中系統誤差不大于1%、隨機不確定度不大于8%,具體標準見表2。

表2 裕溪閘站Q實-Q線關系曲線檢驗分析(K=1.00)

從分析結果來看,此次建立的關系曲線不合理,應重新選擇新的關系曲線,采用試算擬合的方式對在線流量進行修正,對相關系數K進行分析論證。

用修正后的流量再與實測流量建立相關關系,通過擬合符號檢驗u、適線檢驗U、偏離數值|t|,確定K=0.9869,即Q實=0.9869Q線。相關系數K分析統計見表3,建立的線性關系見圖3。

表3 相關系數K分析統計

圖3 裕溪閘站Q實-Q線修關系

由表3和圖3可知,以實測流量Q實為橫坐標,以修正后的在線流量Q線修為縱坐標,建立關系圖,從圖3上可以看出其節點基本均勻分布于45°線兩側,且相對誤差普遍較小,說明在線流量修正后精度較高,關系曲線合理。

4 結 語

裕溪閘水文站流量受潮汐影響顯著,測流次數多,實現流量的在線監測能夠很大程度地減少測流次數。雙垂線法ADCP在線測流系統與傳統實測流量相比,除了具有操作簡單、測驗時間短等優點之外,最大的優勢在于通過對水層流速的測驗來計算河道流量,并實現流量實時監測的自動化,通過該設備的監測和軟件處理功能,能實時掌握河流水位、流速、流量的變化,并對特殊情況進行及時、恰當地分析和應對。

選用209個Q實與相應的Q線進行對比,并進行符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗,結果表明:當選取K=0.9869時,即Q實=0.9869Q線,可以滿足規范要求。下一步,按照選取的K值對以后的實測流量Q實與在線流量Q線進行驗證,確保選取的K值滿足該站的使用要求。