南水北調(diào)東線(xiàn)工程宜陵北閘流量測(cè)驗(yàn)分析

李江艷 王 成 王 江

（江蘇省江都水利工程管理處 揚(yáng)州 225200）

1 引言

南水北調(diào)工程是著名的跨流域調(diào)水工程，是我國(guó)水資源優(yōu)化配置，解決華北、北方地區(qū)缺水的一項(xiàng)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施工程。南水北調(diào)東線(xiàn)工程是我國(guó)南水北調(diào)總體布局中的重要組成部分，一期江蘇境內(nèi)工程共設(shè)9個(gè)梯級(jí)泵站，調(diào)水線(xiàn)路總長(zhǎng)約800km，調(diào)水總量500m3/s。正常情況下由三江營(yíng)引水，經(jīng)夾江、芒稻河輸水至江都西閘進(jìn)入新通揚(yáng)運(yùn)河，經(jīng)江都站抽水入里運(yùn)河北送，另經(jīng)江都東閘送水到宜陵，自宜陵向北由三陽(yáng)河、潼河向?qū)殤?yīng)站送水。在長(zhǎng)江低潮位時(shí)，利用高港泵站由泰州引江河向三陽(yáng)河補(bǔ)水，以滿(mǎn)足調(diào)水需求。

在工程運(yùn)行過(guò)程中，準(zhǔn)確地掌握河道水位、流量變化情況，為工程進(jìn)一步完善和正式通水提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、優(yōu)化水量調(diào)度方案，是必須解決的問(wèn)題之一。宜陵北閘是南水北調(diào)輸水干線(xiàn)三陽(yáng)河上輸水控制工程之一，對(duì)其進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)也是南水北調(diào)水量監(jiān)測(cè)中重要的一環(huán)。

2 流量測(cè)驗(yàn)方法分析對(duì)比

流量測(cè)驗(yàn)是水文工作的主要任務(wù)之一，在水文測(cè)驗(yàn)中占有非常重要的位置。目前國(guó)內(nèi)外采用的流量測(cè)驗(yàn)方法和手段很多，如流速面積法、水力學(xué)法、直接法等，應(yīng)用最廣泛、最普遍的方法是流速面積法。其中流速儀法被認(rèn)為是精度較高的方法，目前普遍以此方法作為檢驗(yàn)其他方測(cè)驗(yàn)精度的依據(jù)。

2.1 流速儀法

河流橫斷面上的流速分布是不均勻的，隨水平及垂直方向的位置不同而變化，即它是水深和水面寬的函數(shù)。測(cè)流時(shí)，假定將斷面流量垂直切割成許多平行的小塊，每一塊成為一個(gè)部分流量，在各個(gè)測(cè)速垂線(xiàn)上測(cè)深、測(cè)速、并測(cè)定起點(diǎn)距，即可計(jì)算出部分流量，所有部分流量累加，即得到全斷面的流量。

2.2 走航式ADCP法

走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀法（即ADCP法）是利用聲學(xué)多普勒原理來(lái)測(cè)量水流速度，其流量測(cè)量原理和流速儀法測(cè)流原理是一樣的，都屬于流速面積法。由于振源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的接收信號(hào)相對(duì)于振源頻率的頻移現(xiàn)象被稱(chēng)為多普勒效應(yīng)，測(cè)出此頻移就能測(cè)出物體的運(yùn)動(dòng)速度。ADCP就是通過(guò)測(cè)量得到聲學(xué)多普勒頻移從而得到相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的流速。

2.3 流量測(cè)驗(yàn)方法的對(duì)比分析

2.3.1相同點(diǎn)

流速儀法和走航式ADCP法同屬于流速面積法，其流量測(cè)驗(yàn)的基本原理一樣，都是以多條測(cè)速垂線(xiàn)將測(cè)流斷面劃分為若干個(gè)子斷面，在每條測(cè)速垂線(xiàn)處測(cè)量水深并測(cè)量多點(diǎn)的流速，計(jì)算垂線(xiàn)平均流速，結(jié)合水深、水面寬等數(shù)據(jù)，分別計(jì)算每個(gè)子斷面的流量，累積得到斷面總流量。

2.3.2不同點(diǎn)

（1）流速測(cè)量。流速儀法測(cè)速時(shí)，儀器必須置于水體某一預(yù)定點(diǎn)測(cè)量且儀器必須控制一定的測(cè)速歷時(shí)以減少流速脈動(dòng)引起的誤差，屬于靜態(tài)方法。ADCP測(cè)速時(shí)儀器可以在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下同時(shí)測(cè)量多個(gè)不同位置的流速且儀器在短時(shí)間內(nèi)收集大量數(shù)據(jù)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的平均值減少流速脈動(dòng)引起的誤差，屬于動(dòng)態(tài)方法。

（2）流量計(jì)算。流速儀法以測(cè)速垂線(xiàn)劃分子斷面，測(cè)量垂線(xiàn)測(cè)點(diǎn)流速計(jì)算垂線(xiàn)平均流速，再計(jì)算子斷面的流量。ADCP劃分的子斷面的數(shù)量遠(yuǎn)比流速儀的多，且在每個(gè)子斷面劃分很多的水流層，通過(guò)累加不同水流層的流量得到子斷面的流量。

（3）測(cè)流方案的選擇。流速儀法測(cè)流前，需嚴(yán)格按照規(guī)范要求制定測(cè)量方案，并根據(jù)水位變化情況選擇測(cè)流時(shí)機(jī)。ADCP法則相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需根據(jù)斷面的情況、測(cè)驗(yàn)要求等設(shè)置ADCP的有關(guān)參數(shù)即可實(shí)施測(cè)量，且不受水位變化情況的影響。

（4）斷面布設(shè)。流速儀測(cè)流斷面應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求布設(shè)，ADCP的測(cè)量斷面可以是設(shè)定好的，也可以是隨機(jī)選定的。

（5）安裝和懸掛設(shè)備。流速儀法需要根據(jù)安裝方式選擇使用的懸索、纜道、絞車(chē)等所需要的設(shè)施。ADCP通常安裝在船舷一側(cè)或者穿透船體的井中，也可安裝在專(zhuān)用的遙測(cè)船上。

（6）操作人員要求。流速儀法操作簡(jiǎn)單，使用者容易掌握，易于上手。ADCP及其軟件相對(duì)比較復(fù)雜，使用者需經(jīng)過(guò)正式的ADCP流量測(cè)量技術(shù)培訓(xùn)方可操作。

通過(guò)上述的對(duì)比分析可知，流速儀法自動(dòng)化程度低，測(cè)流歷時(shí)長(zhǎng)，已越來(lái)越不能滿(mǎn)足水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化、水文信息化的要求，而ADCP法自動(dòng)化程度高，測(cè)流快，體現(xiàn)了水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化水平，已有越來(lái)越多的測(cè)站選擇走航式ADCP作為測(cè)驗(yàn)儀器。

3 監(jiān)測(cè)方案

水文測(cè)驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行，以保證測(cè)驗(yàn)的精度。此次監(jiān)測(cè)方案的制定、測(cè)驗(yàn)的實(shí)施嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行。

3.1 工程概況

宜陵北閘（簡(jiǎn)稱(chēng)宜北閘）位于江都區(qū)宜陵鎮(zhèn)北三陽(yáng)河與新通揚(yáng)運(yùn)河交匯處的三陽(yáng)河上，于1974年11月開(kāi)工興建，1975年9月竣工并投入運(yùn)行。宜陵北閘共7孔，每孔凈寬6.0m，閘底板高程-5.00m，設(shè)計(jì)流量300m3/s。由于年久失修，宜陵北閘已不能滿(mǎn)足東線(xiàn)輸水的要求，2013年9月開(kāi)工進(jìn)行加固改造，2015年7月竣工驗(yàn)收。改造后的宜陵北閘測(cè)驗(yàn)河段順直，長(zhǎng)2km，最大河寬110m，河段為人工開(kāi)挖，兩岸塊石護(hù)坡，河床穩(wěn)定，土質(zhì)為粘壤土，受人類(lèi)活動(dòng)影響較小。

3.2 斷面布設(shè)

宜陵北閘由于沒(méi)有水文觀測(cè)設(shè)施，因此必須布設(shè)水位、流量監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)而進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。斷面布設(shè)應(yīng)遵循以下原則：（1）能控制區(qū)段內(nèi)的水位、流量變化，監(jiān)測(cè)到全部水量，無(wú)漏測(cè)、重測(cè)；（2）盡量選擇在水流條件較好的斷面，避開(kāi)水流異常紊動(dòng)的影響；（3）斷面兩岸應(yīng)平坦、無(wú)障礙物，地形條件便于儀器設(shè)備安裝調(diào)試；（4）有利于水量與水質(zhì)結(jié)合分析。根據(jù)上述原則，結(jié)合因此將水位斷面布設(shè)在閘下300m，流速儀測(cè)流斷面布設(shè)在閘下200m。

3.3 監(jiān)測(cè)方案

水文觀測(cè)設(shè)備可供選擇的有搪瓷水尺、浮子水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等，目前普遍采用的水文觀測(cè)設(shè)備有直立式搪瓷水尺、日記型自記水位計(jì)和遙測(cè)水位計(jì)，后兩者同屬浮子式水位計(jì)，也是此次水位監(jiān)測(cè)采用的水位計(jì)。

根據(jù)前文的介紹及對(duì)比分析可知，流速儀作為流量測(cè)驗(yàn)的常規(guī)儀器設(shè)備，其優(yōu)勢(shì)自不必說(shuō)，走航式ADCP作為新設(shè)備，目前在我國(guó)各大流域應(yīng)用廣泛，大量的比測(cè)資料驗(yàn)證了其精度的可靠性，故可選這兩種方法進(jìn)行此次流量測(cè)驗(yàn)，但流速儀法測(cè)驗(yàn)所需的人員多，歷時(shí)長(zhǎng)，工作強(qiáng)度大，而ADCP測(cè)驗(yàn)人員少，測(cè)流快，工作強(qiáng)度低，考慮到宜陵北閘地處偏遠(yuǎn)，交通不便，因此選擇ADCP作為第一測(cè)流方案，流速儀法作為備用方案。

3.4 測(cè)驗(yàn)精度的控制措施

圖1 宜陵北閘水位流量過(guò)程線(xiàn)圖

影響走航式ADCP測(cè)量精度的因素很多，為將每測(cè)回流量值與均值的誤差控制在±5%以?xún)?nèi)，采取的措施包括采用含30個(gè)脈沖的數(shù)據(jù)組的平均值；選取合適的冪函數(shù)流速剖面公式來(lái)外推盲區(qū)的流速、流量；在測(cè)量過(guò)程中嚴(yán)格控制船速；采用木船測(cè)量；測(cè)流斷面沿鋼絲繩運(yùn)行，以保證船行軌跡的穩(wěn)定等。

4 監(jiān)測(cè)成果分析

按照制定的測(cè)驗(yàn)方案，宜陵北閘進(jìn)行了48次流量測(cè)驗(yàn)，單次流量測(cè)驗(yàn)誤差最大為4.1%，最小為0，均值為0.4%，測(cè)量精度完全符合聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

監(jiān)測(cè)宜陵北閘流量、水位，可以分析三潼寶線(xiàn)水位變化過(guò)程，為南水北調(diào)東線(xiàn)工程調(diào)度提供依據(jù)。以試通水期間三潼寶沿線(xiàn)送水分析為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖1為宜陵北閘實(shí)測(cè)水位流量過(guò)程線(xiàn)圖，由圖可見(jiàn)，在試通水期間，受長(zhǎng)江潮位影響，其下游水位變幅為1.09～1.61m，流量變幅為－31.0～158m3/s。出現(xiàn)小流量、負(fù)流量的日期為江都東閘關(guān)閉，停止引水。在正式通水期間，其流量均在100m3/s以上。

圖2 試通水期間三潼寶線(xiàn)水位過(guò)程線(xiàn)圖

圖2為試通水期間三潼寶線(xiàn)水位過(guò)程線(xiàn)圖。由圖可見(jiàn)，除5月26～28日這3天外，三潼寶線(xiàn)沿程水位是宜陵北閘高于三垛，三垛高于寶應(yīng)站下。沿程水位大比降出現(xiàn)在上段。

5 結(jié)語(yǔ)

合適的測(cè)驗(yàn)方法、先進(jìn)的測(cè)驗(yàn)儀器是獲得高精度的流量數(shù)據(jù)、保證測(cè)驗(yàn)安全的重要手段。流量測(cè)驗(yàn)方法、手段多種多樣，應(yīng)根據(jù)河流水情變化的特點(diǎn)，采用經(jīng)濟(jì)、有效、精度較高的方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。本文在研究流量測(cè)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，分析各流量測(cè)驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，制定合理的水量監(jiān)測(cè)方案，測(cè)得了準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，為工程調(diào)度運(yùn)行、水量控制等提供了依據(jù)。

流量測(cè)驗(yàn)是水文工作的重中之重，研究流量測(cè)驗(yàn)方法、采用先進(jìn)的測(cè)驗(yàn)技術(shù)、制定合理的監(jiān)測(cè)方案是水文工作的重心。本文對(duì)各種流量測(cè)驗(yàn)方法及原理進(jìn)行了詳實(shí)全面的分析，具有較好的參考價(jià)值。但是影響ADCP測(cè)流的因素很多，而由于測(cè)流次數(shù)少，資料不足，無(wú)法進(jìn)行走航式ADCP測(cè)流結(jié)果的誤差分析，今后必須加強(qiáng)測(cè)驗(yàn)，從而進(jìn)行誤差分析