林家村水文站自动化测流方法探讨

◎师 奎 杨烈琴

林家村水文站是渭河干流控制站，属国家重要水文站，担负着渭河河道和宝鸡峡渠道水文要素监测任务。该站于1974年开始渠道监测，渠道监测断面位于宝鸡峡枢纽工程以下2km，监测项目齐全。林家村站宝鸡峡渠道测验断面于1974年设立，断面距宝鸡峡渠首约1km。观测项目有水位、流量、含沙量。设站目的为农业灌溉计划用水提供依据。渠道型状为梯形，顶宽20m，高4.7m，底宽6.4m。渠道基本顺直，基上30m处有一座三孔双管柱板梁水泥桥，基上80m处有一弯道，基下60m有一弯道。基本断面设斜坡水尺一组，渠道中间原来建设的自记水位计已经破旧，现已拆除，水位人工观测。

渠道站自1974年以来实测多年平均流量17.5m3/s，最大流量69.9m3/s，最大含沙量为515kg/m3（1974年8月2日）；多年平均年径流量5.514亿m3、年输沙量 2640万 t。

由于在2000年测验设施全面更新改造中，只完成了河道测流设施的改造，而渠道测流断面上移后测流设施至今没有建成，流量测验长期借用1km外的宝鸡峡渠首管理站的测流设备，站上的测流、取沙测验工作很不方便,而且该断面距离渠首放水闸较近,水流不稳,影响测验精度。为了提高测验精度，减轻职工劳动强度，实现渠道水位流量自动化测验，2010年初，省水文局经过实地调查研究后，初步拟定了渠道测验设施改造方案，为了确保方案的可行性，决定开展宝鸡峡渠道测流断面的流速系数分析工作。

一、试验情况

1.测验方法

按照《河流流量测验规范》（GB50179-93）要求，在不同水位级上进行测验。测流断面和垂线固定，垂线根据水位级，每1m布设一条。在不同水位级的不同垂线上按照精测法的要求布设测速垂线及测点，同时进行流速仪三点法、水面一点法、0.6一点法测验。在高、中、低不同水位级对比试验，共测26次（每份流量为一次）。开展断面平均流速与代表垂线平均流速的相关分析、与某垂线平均流速的相关分析、与某垂线水面流速关系相关分析。

2.仪器情况

在测验过程中所使用的流速仪2架，仪器型号为LS25-3A，测速范围，0.1635m3/s～10.0 m3/s。

3.测验过程

由于原断面没有测流设施，本次试验的测流断面选在基上30m水泥桥上，为了提高测验精度，加密垂线，从岸边每1m布设一条垂线，实测水深。水深满足时用流速仪三点法实测流速，同时用流速仪施测水面流速、流速仪0.6一点法实测流速。测验过程，精度要求严格执行《河流流量测验规范》（GB50179-93）。

4.实测资料的情况

从3月16日至6月25日，共测资料：三点法26次，水面一点法28次，0.6一点法27次。其中施测号第1次只测了流速仪水面，17次只测了流速仪水面和0.6一点法，无三点法。这次实测范围，最低水位611.31m，最高水位613.81m，水位变幅2.50m。但最低水位611.31m，为施测号第17次，没有三点法施测的，在分析中，没参加计算。由于受宝鸡峡渠首放水影响，很难测到低水，即10m3/s以下的流量。

5.测验成果

资料成果情况为，实测流速仪三点法26次，0.6一点法27次，水面一点法28次，水面没有系数，直接测的水面，岸边系数均采用0.7。

6.水位流量关系分析

根据实测26次三点法资料，建立三点法实测流量与水位的关系。关系良好。

检验结果，标准差Se=3.97%，随机不确定度为7.94%，系统误差为0.21%。符合规范规定的关系定线精度指标。因此以三点法所测流速趋于真值，与垂线、水面流速建立相关关系进行试验分析。

二、流速关系分析

1.资料综合分析

方案的初步探索，为了减少工作量，避免盲目性，对收集的26次资料，即流速仪三点法、水面一点法、0.6一点法资料套绘了流速横向分布图。根据流速横向分布情况,可以看出流速横向分布在高、中、低各级水位的分布形状大致相似。可采用统筹一致的方案，即相关分析法。还发现右岸流速大于左岸，原因是上游约80m处有一弯道，改变水流方向，使水流层紊乱，左岸出现涡流现象，影响流速使其偏小，造成整个断面流速横向分布反常。普遍情况为，6m~13m流速仪水面小于0.6一点法和三点法。总体来看，三点法所测流速横向分布介于水面与0.6一点法之间。因此，以三点法所测资料为依据，分析流速系数。以上问题也是由于断面选择有问题。但目前由于条件限制，只能选用此桥断面。

2.水面平均流速与断面平均流速关系分析

水面流速系数分析的目的是为了简化测验，即只测三条垂线的水面流速，就可算出断面平均流速，还能保证测验精度。因为是试验，所测资料布设垂线稠密，每次流量布设垂线均为1m一条垂线。但这样工作量太大，根据测验规范规定，水面宽＜50m，应布6条垂线（窄深河道）。因此，为了减少工作量和垂线数，寻找关系，用图解法，从流速横向分布图上，用三点法断面平均流速划条横线，与各条垂线相交对比后选用起点距8.0m、9.0m和10.0m三条较为接近断面平均流速的垂线，再将这三条垂线（测点）平均，与三点法断面平均流速建立相关关系。其中断面平均流速是三点法断面平均流速，水面平均流速是8.0m、9.0m和10.0m三条垂线的平均流速，通过分析来达到只测三条垂线的水面流速，就可算出断面平均流速的目的。

经水文统计学进行相关计算，结果为：

相关系数：r=0.9440

回归方程为：y=0.7098x+0.2556

3.某垂线平均流速与断面平均流速关系分析

根据水力学的紊流理论和流速分布理论可知，每条垂线上不同位置的流速大小不同。为了达到只测一条垂线的流速，就能代表断面平均流速的目的，即简化了测验，还能保证测验精度。用所测三点法断面平均流速(真值)与三点法所测各条垂线相关，选择垂线。从流速横向分布图上，用断面平均流速划条横线，为了减少工作量，用图解法，结果为26次资料，与起点距9.0m和10.0m两点各相交10次，与起点距9.5m相交6次。综合考虑，因为此桥为钢筋混凝土双管柱板梁公路桥，它有三个孔，第二个孔位于双管柱中心，也是起点距9.0m，桥全长为18.0m。故选择断面平均流速与垂线9.0m平均流速建立关系，进行相关分析计算。

通过水文统计学进行相关计算结果为：

相关系数：r=0.9811

回归方程为：y=0.891x+0.0563

4.某垂线水面流速与断面平均流速关系分析

为了寻找更简化的测验方法，即只测一个测点流速，就能代表断面平均流速的目的，还能保证测验精度，选择了三点法断面平均流速资料作为真值与流速仪水面各垂线相关，选择垂线。从流速横向分布图上，用断面平均流速划条横线，结果为26次资料与起点距8.0m相交6次,与起点距9.0m和10.0m两点分别相交9次和7次进行相关计算。其中8.0m的相关系数为0.93248，9.0m的相关系数为0.9031，10.0m的相关系数为0.7745。因为8.0m和9.0m的相关系数均大于0.9说明相关关系都好，为了和三点法断面平均流速与垂线（9.0m）平均流速关联，故选择用三点法断面平均流速与垂线9.0m的水面流速建立关系，进行相关分析计算。

通过水文统计学进行相关计算结果为：

相关系数：r=0.9390

回归方程：y=1.19x-0.1914

以上三个相关关系在相关计算中，︳r︳＞0.8，说明两变量的相关程度密切，符合要求。合理性检查中，标准差、随机不确定度、系统误差，均符合规范对一类站的技术指标要求。用所求关系与真值对比流速误差，平均相对误差、相对误差均值小于3%，符合规范要求，结果是合理的，完全满足测流精度。

三个试验的相关系数，只适应水位级612.07m~-613.81m范围，超过此水位级立即恢复正常测验。

三、存在的问题

1）试验分析断面（基上30m处）流速横向分布不均。原因是上游约80m有一弯道，改变了水流的形态，使右岸至左岸流速处于递减趋势。

2）试验测桥起点距 6 m~7m与11m~12m处有直径约0.5m圆形桥墩，水流受到桥墩的阻水影响。

3）资料系列较短，测次相对而言，还是有点偏少。受渠道正常引水量限制，低水测点偏少。

四、测验方案

1.水位测验方案

1）安装电子水尺。电子水尺是远程水位采集装置，具有测量精度高，测量误差小，设备安装灵活方便，非常适合野外安装，可应用于渠道上下游等处的水位自动测量和远程传输，远程监测，可以倾斜安装（沿渠道斜面安装），从而避免飘浮物对水流流态的影响。用电子水尺在线监测，在线显示，遥测传输到分中心。传输方式可采用无线也可采用有线传输。

2）按规范要求设立倾斜水尺人工对比观测。

2.流量测验方案

1）在选好的断面上建设架空测桥，桥测设备上应有测流用的动力系统、机械系统、操作控制系统、信号系统、记录计算设备、测深仪器、铅鱼、流速仪、流速测算仪、无线通信设备等，夜间测验应配置照明设备。桥上安装计算机测流控制系统。在计算机控制下实现起点距、水深、流速自动采集和记载的自动化流量测验系统。

2）测流方案，根据所装设施设备及条件，可任选择以下三种中的一种方法：

①水面平均流速与断面平均流速关系分析。只测起点距8.0m、9.0m，10.0m三条代表垂线的水面流速，平均后，用所求关系求断面平均流速。

②某垂线平均流速与断面平均流速关系分析。只测起点距9.0m垂线平均流速，用所求关系求断面平均流速。

③某垂线水面流速与断面平均流速关系分析。只测起点距9.0m垂线的水面流速，用所求关系求断面平均流速。

5 结论

通过本次试验分析可知，流速仪水面、某垂线平均流速与某测点流速和断面平均流速呈线性关系。而且施测某几条垂线的水面流速、某一垂线平均流速和某测点流速可推求全断面平均流速，进而计算出断面流量。具有测验简单，精度较高，资料计算整理省时等优点，可以作为渠道测流的一种主要方法。对此法探讨只是初步的，且是很浅的，所分析资料范围较小，有待以后充实资料再继续探讨。也说明渠道流量测验完全可以简化，只要选好顺直渠道，建设架空测桥，消除桥墩对水流的影响，并通过建设先进的水位和测速仪器设备，完全可以达到自动化测流或实时在线测流之目的，从而做好宝鸡峡渠道科学调水、合理配水、安全输水、计划用水、节约用水、准确量水的工作。陕西水利