浅谈水文新仪器在流量测验中的应用

姚建栋 黄 静

浅谈水文新仪器在流量测验中的应用

姚建栋 黄 静

一、仪器简介

在2003年淮河流域大洪水中，许多重要水利工程的流量测验经受了极大的考验，而传统的测流方法已不能完全满足要求，因此二河闸水文站在汛后引进了先进的多普勒流速流量剖面仪（H-ADCP流量在线自动监测系统）；淮阴闸也引进了走航式ADCP；新沂河海口控制工程由于只有在行洪时才可能需要入海流量，再加上流速快、距离远，故特别引进了美国产的SVR-VP电波流速仪（测速雷达枪）。

ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流流速剖面的仪器。具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，一般应用于海洋、大江河口的流场结构调查以及流速和流量的测验。

SVR-VP电波流速仪专门用于河流水面流速测量，很容易测到高速水流表面物体的流速，由此提供水面流速。浮草和颗粒漂浮物可给雷达枪提供足够的反射信号，水面波动同样可提供很好的反射信号，波纹和横流会在各个方向上产生流速。测量过程中，SVR读取所有流速信号最终给出的是基于全部反射信号的平均流速。

二、测流数据比较

1.H-ADCP测流数据与走航式ADCP数据的比较

为了实现二河闸流量自动监测系统的正常运行，利用走航式ADCP对二河闸下游测流断面在淹没式孔流条件下35孔平均开启时，测得的流量测验数据与H-ADCP测得的1～100单元平均流速进行了对比分析，H-ADCP的1～100单元不同闸门开高情况下的平均流速见图1，H-ADCP与走航式ADCP的断面平均流速相关关系见图2。

从图 1可以看出，H-ADCP的1～100单元各单元流速在不同开高条件下关系点都较散乱，与走航式ADCP测得的断面平均流速的误差也大，故采用H-ADCP的1～60单元流速与走航式剖面仪的流量数据建立线性关系见图2，在不同的闸门开启高度下，两仪器的断面平均流速之间存在着一定的线性关系。

2.走航式ADCP与传统流速仪数据的比较

当二河闸出现堰流条件的水情时，由于没有固定的堰流关系线，故不能通过关系线推流，只能采用实测流量报汛。2005年6月下旬，由于洪泽湖水位过低，二河闸闸门全部提出水面，流态达到淹没式堰流，利用走航式ADCP在下游测流断面进行流量数据报汛的同时，用传统流速仪在节制闸公路桥上进行闸孔测流，并对两者的同步流量数据进行了比较，其流量数据对比见图3。

从图3可以看出，流速仪与走航式ADCP的同步比测的流量数据点基本分布在y=x关系线两侧，有两个误差稍大的点都是流速仪的测量结果大于ADCP的测量结果，其误差分别为8.8%、3.6%，多个测次的总体平均误差较小，控制在1.5%左右，由此证明ADCP的测流精度比较高，而且测流历时短可满足流量报汛的需要。

3.电波流速仪与传统流速仪测流数据的比较

新沂河位于江苏省北部，全长146km，是沂沭泗流域洪水的入海通道尾闾，担负着沂沭泗流域的泄洪任务，并相机分泄淮河洪水。新沂河海口控制工程建于新沂河入海口处，它是沂沭泗洪水东调南下工程中重要项目。整个工程布局为两泓三滩，南、北两条深泓开挖建闸，三个浅滩分别建橡胶坝挡潮泄洪。

2005年8月5 日，由于上游嶂山闸开闸泄洪，且泄洪流量超过3000m3/s，新沂河海口控制工程上下游水位受海潮影响昼夜变化幅度较大。由于没有固定水文测站，因此利用电波流速仪与传统流速仪进行流量测定，在测流期间，人工两小时观测水位一次，其南坝与南深泓闸水位变化过程见图4，北坝与北深泓闸水位变化过程见图5。

利用电波流速仪对南橡胶坝、南深泓闸、北坝、北深泓闸分别进行逐孔打点测量，测得的流量分别为890m3/s、1570m3/s、553m3/s、383m3/s，断面流量总和达到3396m3/s，利用电波流速仪测定的流量其中南坝、南深泓闸与北坝、北深泓闸的分流比达到了2.63。

流速仪测量采用在闸上公路桥上闸孔测流，两者测得成果的分流比与断面总流量进行相关分析见图6。

从图6中可以得知，在有限的几个流量测次里，新沂河海口控制工程泄洪过程中，南橡胶坝、南深泓闸与北橡胶坝、北深泓闸的分流比随着断面总流量的提高而有扩大的趋势。而电波流速仪由于测定的流速为水面流速，故流速比垂线流速要偏大，即在同样的分流比条件下，电波流速仪的测量结果算出的流量偏大（在图6中的方形点为电波流速仪的测次）。

三、误差分析

从二河闸出现的淹没式堰流条流条件下的走航式ADCP与传统流速统流速仪的测量结果，可以通过表1中看出，走航式ADCP的测量结果误差较小，平均总体误差不超过1%，最大的测点误差为8.8%，不超过10%；其12个测次的标准差值Se=0.036。走航式ADCP在水文流量测验过程中与传统流速仪的误差很小，相较传统流速仪更加方便快捷，减少了汛情紧张时的工作量且测量结果的精度良好。

表1 走航式ADCP与传统流速仪误差分析表

图1 35孔全开（未出水面）H-ADCP（1-100单元）流速关系图

图235孔全开（未出水面）H-ADCP与ADCP流速关系图

图3 ADCP与流速仪流量关系线

图4 南坝、南深泓闸水位过程线

图5 北坝、北深泓闸水位过程线

图6 海口控制工程流量与分流比关系

新沂河海口控制工程泄洪流量测量中，电波流速仪使用雷达原理测量水流表面的流速，是一种非接触式流速测量仪器，在测量高速水流及洪水时，SVR是极为有价值的，它避免了接触式流速仪带来的不安全隐患。从图6中的电波流速仪（方形测点）可以看出，在相同的水情条件下，由于SVR测的是水面流速，故总体流量偏大，其测量结果还不能参与流量资料的整编，只能作为流量测定的一个参考数值。

四、应用前景

近年来，许多新的水文仪器投入了流量测验的过程中，其测量原理和测验方法已得到广泛认同。新仪器在提高测验安全性、测验精度、测验时效性上都比传统的测流仪器以及测验方法迅捷简便。很多新仪器还结合GPS、全站仪、高精密度水准仪等工程测量仪器一起参与许多水工建筑物的测量，为工程运行效益提供了有力的数据支持，方便了测验人员测验工作量的同时，也对测验人员提出了更高的技术要求，相信随着引进力度的加大，会有更多的仪器投入到水文流量测验过程中来

江苏省淮沭新河管理处淮阴闸管理所 223300 江苏省灌溉总渠管理处水文站 223200）