裕溪閘站在線流量監(jiān)測與實(shí)測流量比測分析

周喚喚

(安徽省農(nóng)村飲水安全技術(shù)中心,安徽 合肥 230041)

河流流量是單位時(shí)間內(nèi)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(shù)據(jù),也是河流重要的水文要素之一[1-2]。準(zhǔn)確、快速、便捷的河流流量測量技術(shù)是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的根本保障[3],對于流域與河口的水資源管理與環(huán)境保護(hù)等有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

河流流量監(jiān)測是洪水預(yù)報(bào)和水資源計(jì)算的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ),是水文分析服務(wù)深化的重要手段[4]。傳統(tǒng)的河流流量測驗(yàn)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(shè)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(fèi)工費(fèi)時(shí),效率較低[5]。隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,各種行業(yè)對水文信息監(jiān)測的時(shí)效性要求日益增高,傳統(tǒng)水文測驗(yàn)由于測驗(yàn)技術(shù)手段的制約,導(dǎo)致時(shí)效性較差。近年來,國家對水利行業(yè)加大投入,中小河流水文監(jiān)測能力進(jìn)一步提升。最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施,要求流量實(shí)行在線監(jiān)測。在線流量監(jiān)測將極大地提高測流效率,提升我國水文測驗(yàn)行業(yè)的能力和水平[6]。

傳統(tǒng)流量監(jiān)測以人工監(jiān)測為主,需要大量人力成本,隨著現(xiàn)代化流量監(jiān)測技術(shù)(如超聲波時(shí)差法、側(cè)掃雷達(dá)在線流量法、高性能視頻水面流速法、電磁法、點(diǎn)流速雷達(dá)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(yīng)用[7-9],按照小時(shí)或分鐘對河流水文要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測在大部分的河流斷面得以實(shí)現(xiàn)。隨著流量在線監(jiān)測技術(shù)手段不斷完善提高,越來越多的河流斷面實(shí)現(xiàn)了流量的在線監(jiān)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(yàn)中,在線監(jiān)測手段仍面臨較大的挑戰(zhàn),一般采用水平式[10]、垂直式ADCP[11]的方式進(jìn)行監(jiān)測。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是當(dāng)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(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[12]。安徽省蕪湖市的裕溪閘水文站一直以來存在實(shí)測流量頻繁、測流任務(wù)繁重等問題,近年來,隨著ADCP在技術(shù)上日益完善,以及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,解決裕溪閘水文站流量測驗(yàn)問題具備了切實(shí)可行的技術(shù)條件。蕪湖水文局引進(jìn)了在線監(jiān)測流量系統(tǒng),根據(jù)代表線法測流原理,采用走航ADCP結(jié)合纜道控制系統(tǒng),裕溪閘水文站成功地實(shí)現(xiàn)了斷面流量、流速的實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)合裕溪閘水文站的水文特性和流量監(jiān)測設(shè)備的使用,本文對裕溪閘水文站在線監(jiān)測流量與實(shí)測流量進(jìn)行比測分析,判斷自動(dòng)流量監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測應(yīng)用提供新的技術(shù)方案,具有良好的推廣價(jià)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(qū)裕溪閘,是裕溪河出口,巢湖水系主要控制站、水功能區(qū)監(jiān)測站、裕溪閘調(diào)度控制站、水資源控制站,主要為防汛抗旱、水資源和水質(zhì)監(jiān)測等提供服務(wù)。

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(yàn)斷面在閘上140m處,測驗(yàn)河段為單式河床,斷面左岸為節(jié)制閘與船閘間的導(dǎo)流堤,高程12.10m,當(dāng)水位超過12.10m時(shí),出現(xiàn)漫堤與船閘水道連為一片。斷面右岸為備建船閘導(dǎo)流堤,高程12.00m,當(dāng)水位超過12.00m時(shí),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(yàn)斷面在裕溪閘上游140m處,測驗(yàn)河段順直,兩岸有圩堤,堤頂高程左岸13.60m、右岸12.90m(凍結(jié)基面),河道主槽居中;裕溪閘下游為長江。該河段河床穩(wěn)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(huì)出現(xiàn)陡漲陡落。受潮汐影響,裕溪閘站流量測驗(yàn)任務(wù)較為繁重。

裕溪閘站流量測驗(yàn)以滿足定線、推求逐日流量和各項(xiàng)特征值為原則,同時(shí)還應(yīng)滿足防汛調(diào)度和抗旱的要求,流量測量要滿足實(shí)測流量過程線定線推流要求,每年根據(jù)閘門開啟孔數(shù)、高度、流態(tài)及相關(guān)因素的變化等,合理安排流量測次,流量測次滿足實(shí)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(tǒng)

2.1.1 雙垂線法測流原理

雙垂線法ADCP在線測流系統(tǒng),由ADCP施測斷面中泓兩側(cè)的兩條垂線流速,根據(jù)垂線流速計(jì)算模型,計(jì)算出符合規(guī)范要求的若干條垂線流速,用部分流速面積法計(jì)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(jì)算模型。

雙垂線法流量計(jì)算模型主要參數(shù)常用于明渠流量或速度經(jīng)驗(yàn)公式,適用于均勻流,采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:v為速度,m/s;k為轉(zhuǎn)換常數(shù),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(gè)系數(shù),其值一般由實(shí)驗(yàn)測得,使用時(shí)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(jì)算模型說明

借助水力學(xué)模型建立流速與比降關(guān)系,代入曼寧公式,求解出比降和垂線流速,最后根據(jù)部分流速面積法推導(dǎo)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(jì)量問題。

a.建立比降與流速關(guān)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(zhǔn),也不能用曼寧公式求得準(zhǔn)確結(jié)果。為此,改用兩條實(shí)測垂線流速反求比降的方法。

根據(jù)河流特性,假定一個(gè)水面比降S′的值,根據(jù)河段和斷面資料劃分出斷面的分塊糙率,用上述方法計(jì)算出第i條垂線流速。用第i條實(shí)測流速v′i作為已知的條件,則參數(shù)計(jì)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(shù);vi為第i條垂線實(shí)測流速,m/s;v′i為曼寧公式計(jì)算的流速,m/s;S′為假定比降。

b.求解比降參數(shù)。當(dāng)斷面設(shè)有兩條實(shí)測流速垂線時(shí),可求得兩個(gè)比降參數(shù),左邊垂線至左岸各垂線流速計(jì)算采用左垂線的比降數(shù)值,中間部分垂線采用左、右兩垂線比降參數(shù)的差值按線性內(nèi)插法計(jì)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(shù)計(jì)算各垂線流速。

c.求解比降參數(shù)。代入曼寧公式計(jì)算矩形斷面和三角形斷面改正系數(shù),利用實(shí)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(yīng)為水下部分的水道斷面測量和岸上部分的水準(zhǔn)測量。水道斷面的水深測量結(jié)果應(yīng)換算為河底高程,岸上部分應(yīng)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(biāo)燈船型浮標(biāo)體的布置

裕溪閘水文站航標(biāo)燈浮體安裝ADCP流量監(jiān)測站情況見圖2,經(jīng)過數(shù)據(jù)的初步分析,現(xiàn)將1號、2號ADCP的位置設(shè)定為起點(diǎn)距的55m和135m。

3 流量比測

流量比測成果統(tǒng)計(jì)以走航ADCP測流法的實(shí)測流量成果為標(biāo)準(zhǔn)值,本次選用209個(gè)實(shí)測流量Q實(shí)與相應(yīng)的在線流量Q線進(jìn)行對比(見表1),并進(jìn)行符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)。符號檢驗(yàn)是檢驗(yàn)設(shè)定的關(guān)系曲線兩側(cè)測點(diǎn)數(shù)是否均勻合理;適線檢驗(yàn)是檢驗(yàn)測點(diǎn)曲線正、負(fù)符號的排列情況;偏離檢驗(yàn)是檢驗(yàn)點(diǎn)偏離關(guān)系曲線的平均相對誤差是否在合理范圍內(nèi)。依據(jù)結(jié)果,判斷其關(guān)系曲線是否合理,不合理則需重新確定新的關(guān)系曲線。

表1 裕溪閘站Q實(shí)-Q線關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算(K=1.00)

依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL/T 247—2020)要求,選取裕溪閘流量關(guān)系曲線中系統(tǒng)誤差不大于1%、隨機(jī)不確定度不大于8%,具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 裕溪閘站Q實(shí)-Q線關(guān)系曲線檢驗(yàn)分析(K=1.00)

從分析結(jié)果來看,此次建立的關(guān)系曲線不合理,應(yīng)重新選擇新的關(guān)系曲線,采用試算擬合的方式對在線流量進(jìn)行修正,對相關(guān)系數(shù)K進(jìn)行分析論證。

用修正后的流量再與實(shí)測流量建立相關(guān)關(guān)系,通過擬合符號檢驗(yàn)u、適線檢驗(yàn)U、偏離數(shù)值|t|,確定K=0.9869,即Q實(shí)=0.9869Q線。相關(guān)系數(shù)K分析統(tǒng)計(jì)見表3,建立的線性關(guān)系見圖3。

表3 相關(guān)系數(shù)K分析統(tǒng)計(jì)

圖3 裕溪閘站Q實(shí)-Q線修關(guān)系

由表3和圖3可知,以實(shí)測流量Q實(shí)為橫坐標(biāo),以修正后的在線流量Q線修為縱坐標(biāo),建立關(guān)系圖,從圖3上可以看出其節(jié)點(diǎn)基本均勻分布于45°線兩側(cè),且相對誤差普遍較小,說明在線流量修正后精度較高,關(guān)系曲線合理。

4 結(jié) 語

裕溪閘水文站流量受潮汐影響顯著,測流次數(shù)多,實(shí)現(xiàn)流量的在線監(jiān)測能夠很大程度地減少測流次數(shù)。雙垂線法ADCP在線測流系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)測流量相比,除了具有操作簡單、測驗(yàn)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)之外,最大的優(yōu)勢在于通過對水層流速的測驗(yàn)來計(jì)算河道流量,并實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測的自動(dòng)化,通過該設(shè)備的監(jiān)測和軟件處理功能,能實(shí)時(shí)掌握河流水位、流速、流量的變化,并對特殊情況進(jìn)行及時(shí)、恰當(dāng)?shù)胤治龊蛻?yīng)對。

選用209個(gè)Q實(shí)與相應(yīng)的Q線進(jìn)行對比,并進(jìn)行符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn),結(jié)果表明:當(dāng)選取K=0.9869時(shí),即Q實(shí)=0.9869Q線,可以滿足規(guī)范要求。下一步,按照選取的K值對以后的實(shí)測流量Q實(shí)與在線流量Q線進(jìn)行驗(yàn)證,確保選取的K值滿足該站的使用要求。