SonTek-IQ與雷達水位計在輸水工程試算糙率中的應用

賈銘洋

（遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽111000）

SonTek-IQ與雷達水位計在輸水工程試算糙率中的應用

賈銘洋

（遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽111000）

糙率在輸水工程設計中是一個常見問題，如果選取的糙率值偏大，則會高估渠道的阻力，使斷面設計加大，增加工程投資；若選取的糙率值偏小，則設計的渠道斷面偏窄，實際通過流量無法滿足設計要求。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計中是一個常見問題，往往是根據(jù)選用的材料在教科書或相關手冊中按單元定值進行計算。但對于長距離輸水工程，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)的選擇就尤為關鍵了。如果在輸水工程中選取的造率值偏大，則會高估渠道的阻力，使斷面設計加大，增加工程投資；若糙率值偏小，則設計的渠道斷面偏窄，實際通過流量無法滿足設計要求。因此合理選取糙率的意義非同一般。

2 SonTek-IQ與雷達水位計在輸水工程糙率的應用

2.1 SonTek-IQ工作原理

SonTekIQ是一種收發(fā)兼容的多普勒流速儀，它是采用一種稱之為多普勒頻移的物理原理來測量流速的。它的工作原理是:如果一個聲源相對于接收體有相對運動，接收體接收到的聲波頻率與發(fā)射頻率就會有差異（頻移，頻率移動）。對于多普勒流速儀，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速度，速度為正，表示二者間距離在增加；C—聲速。

2.2 雷達水位計工作原理

水位傳感器主要是可通過接觸或非接觸方式感測各種水域的水位，并自動轉化為格雷碼或4～20m A等電量送數(shù)據(jù)采集器定時采集處理。數(shù)據(jù)采集器定時采集處理后的有效數(shù)據(jù)同時送顯示屏顯示、存儲器存儲和無線發(fā)射器（數(shù)傳電臺或G SM）發(fā)射傳輸。置數(shù)鍵盤是用于設置、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，太陽能電池板負責通過充電控制器為電池組浮充電源。其結構原理圖如圖1所示:

圖1 水情遙測儀原理示意圖

3 輸水工程試算糙率應用

3.1 斷面布設

隧洞試驗段總長1000m，共布設5個斷面。每個斷面間距250m，其中1#（起點距1450m）、4#（起點距2200m）、5#（起點距2450m）為水位監(jiān)測斷面，2#（起點距1700m）、3#（起點距1950m）為流量監(jiān)測斷面。5處監(jiān)測斷面，可取得3組（比降面積法）分析糙率的監(jiān)測數(shù)據(jù)。1#、3#、5#一組，1 #、2#、3#一組，2#、3#、4#一組。斷面位置見圖2。

圖2 斷面布設示意圖

3.2 斷面情況

隧洞為城門洞形，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，但能夠觀測到水面流動。側墻表面凹凸不平，有明顯波浪式起伏，壁面潮濕，用手觸摸有較強的摩擦感。硬度大，鋼釘釘入困難。

3.3 斷面橫比降

在隧洞內離底板約1.9m處，側墻上有一條明顯的水痕線，為隧洞引水最高水位時留下的洪痕。

為避免橫比降的影響，對各測試斷面進行了橫比降測量。測量結果表明，1#斷面（起點距1450m）橫比降為0.6cm，5#斷面（起點距2450m）橫比降為0.5cm。其他三處斷面無橫比降。

3.4 流量測驗

根據(jù)引水閘門開啟高度及引水情況繪制各斷面引水過程的水位過程線～流量過程線，見圖3。

從圖3可以看出，水位走勢與流量走勢完全一致，關系良好，無奇異點。在流量測驗過程中，流量計性能穩(wěn)定，各項指標均正常。流量計部分監(jiān)測指標見圖4～圖7。

圖3 水位～流量過程線

圖4 水深過程線

圖5 流量過程線

圖6 四波束流速分布

3.5 水面線確定

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

3.6 基于比降面積法的糙率計算

（1）用實測數(shù)據(jù)采用比降面積法對隧洞糙率進行計算。根據(jù)公式:

圖7 雷達波速圖

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)。當河段收縮時取0，逐漸擴散時取0.3；α—動能校正系數(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)糙率計算成果詳見表1。

圖8 水面線成果圖

表1 比降面積法糙率計算成果表

4 結論

（1）由于來水量的限制，主要進行了水深1.20m以下10個不同水位級的流量測驗，獲得的數(shù)據(jù)真實可靠。

（2）本次流量測驗及糙率分析成果是基于當時來水量條件和引細入湯隧洞具體情況的測量成果，該糙率成果如果應用于其他工程，應結合具體情況分析確定。

（3）8月份細河流域無大降雨過程，河道來水量小，攔河壩蓄水量有限，當引水閘門打開引水后，壩上水位會持續(xù)下降，流量穩(wěn)定持續(xù)時間短。

（4）為防止隧洞內泥沙淤積對流量計的影響，流量計安裝高度距地面10cm，加之流量計的盲區(qū)為8cm，這樣，在低水位時會造成一定的測驗誤差。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試驗研究［D］.西北農(nóng)林科技大學，2008.

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

［3］李效賢.長距離輸水管道糙率現(xiàn)場測試［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。