SonTek-IQ与雷达水位计在输水工程试算糙率中的应用

贾铭洋

（辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳111000）

SonTek-IQ与雷达水位计在输水工程试算糙率中的应用

贾铭洋

（辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳111000）

糙率在输水工程设计中是一个常见问题，如果选取的糙率值偏大，则会高估渠道的阻力，使断面设计加大，增加工程投资；若选取的糙率值偏小，则设计的渠道断面偏窄，实际通过流量无法满足设计要求。因此合理选取糙率的意义非同一般。

SonTek-IQ；糙率；流量；比降面积法

1 概述

糙率的选取在输水工程设计中是一个常见问题，往往是根据选用的材料在教科书或相关手册中按单元定值进行计算。但对于长距离输水工程，考虑到断面形状、面积、底面坡度及断面表面的粗糙度等因素，输水工程糙率系数的选择就尤为关键了。如果在输水工程中选取的造率值偏大，则会高估渠道的阻力，使断面设计加大，增加工程投资；若糙率值偏小，则设计的渠道断面偏窄，实际通过流量无法满足设计要求。因此合理选取糙率的意义非同一般。

2 SonTek-IQ与雷达水位计在输水工程糙率的应用

2.1 SonTek-IQ工作原理

SonTekIQ是一种收发兼容的多普勒流速仪，它是采用一种称之为多普勒频移的物理原理来测量流速的。它的工作原理是:如果一个声源相对于接收体有相对运动，接收体接收到的声波频率与发射频率就会有差异（频移，频率移动）。对于多普勒流速仪，可以用以下的公式表示:

式中:Fd—接收体的频率变化（多普勒频移）；F0—发射声波的频率；V—声源与接收体间的相对速度，速度为正，表示二者间距离在增加；C—声速。

2.2 雷达水位计工作原理

水位传感器主要是可通过接触或非接触方式感测各种水域的水位，并自动转化为格雷码或4～20m A等电量送数据采集器定时采集处理。数据采集器定时采集处理后的有效数据同时送显示屏显示、存储器存储和无线发射器（数传电台或G SM）发射传输。置数键盘是用于设置、修改、查看数据采集仪中的各种参数。仪器的供电由电池组供给12V直流电源，太阳能电池板负责通过充电控制器为电池组浮充电源。其结构原理图如图1所示:

图1 水情遥测仪原理示意图

3 输水工程试算糙率应用

3.1 断面布设

隧洞试验段总长1000m，共布设5个断面。每个断面间距250m，其中1#（起点距1450m）、4#（起点距2200m）、5#（起点距2450m）为水位监测断面，2#（起点距1700m）、3#（起点距1950m）为流量监测断面。5处监测断面，可取得3组（比降面积法）分析糙率的监测数据。1#、3#、5#一组，1 #、2#、3#一组，2#、3#、4#一组。断面位置见图2。

图2 断面布设示意图

3.2 断面情况

隧洞为城门洞形，底宽3.6～3.8m，直墙高1.8～1.9m，拱半径约1.85m，隧洞底板较为光滑，但不平整，有明显的起伏。底板两侧均匀分布有排水管，间距5m左右。地面有积水，水深3～5cm。流速不大，但能够观测到水面流动。侧墙表面凹凸不平，有明显波浪式起伏，壁面潮湿，用手触摸有较强的摩擦感。硬度大，钢钉钉入困难。

3.3 断面横比降

在隧洞内离底板约1.9m处，侧墙上有一条明显的水痕线，为隧洞引水最高水位时留下的洪痕。

为避免横比降的影响，对各测试断面进行了横比降测量。测量结果表明，1#断面（起点距1450m）横比降为0.6cm，5#断面（起点距2450m）横比降为0.5cm。其他三处断面无横比降。

3.4 流量测验

根据引水闸门开启高度及引水情况绘制各断面引水过程的水位过程线～流量过程线，见图3。

从图3可以看出，水位走势与流量走势完全一致，关系良好，无奇异点。在流量测验过程中，流量计性能稳定，各项指标均正常。流量计部分监测指标见图4～图7。

图3 水位～流量过程线

图4 水深过程线

图5 流量过程线

图6 四波束流速分布

3.5 水面线确定

根据水位过程线，在10组有效的引水过程中，在每次洪峰附近选取3～7组稳定的水位数据，绘制各水位级峰顶附近的水面线。各次洪峰峰顶附近水面线稳定，趋势合理。从各次洪峰中选取线形走势最合理的一条水面线，做为该水位级的水面线。水面线成果见图8。

3.6 基于比降面积法的糙率计算

（1）用实测数据采用比降面积法对隧洞糙率进行计算。根据公式:

图7 雷达波速图

式中:Q—流量（m3/s）；Au、AL—比降上、下水道断面面积（m2）；g—重力加速度（m/s2）；L—比降上、下断面间距（m）；S—水面比降；ζ—局部阻力系数。当河段收缩时取0，逐渐扩散时取0.3；α—动能校正系数，取1.1；—河段平均输水率。

（2）河段平均输水率按下列公式计算:

式中:n—河段糙率；Am—比降中断面水道断面面积（m2）；Ru、Rm、RL—比降上、中、下断面的水力半径（m）；
三组比降面积法数据糙率计算成果详见表1。

图8 水面线成果图

表1 比降面积法糙率计算成果表

4 结论

（1）由于来水量的限制，主要进行了水深1.20m以下10个不同水位级的流量测验，获得的数据真实可靠。

（2）本次流量测验及糙率分析成果是基于当时来水量条件和引细入汤隧洞具体情况的测量成果，该糙率成果如果应用于其他工程，应结合具体情况分析确定。

（3）8月份细河流域无大降雨过程，河道来水量小，拦河坝蓄水量有限，当引水闸门打开引水后，坝上水位会持续下降，流量稳定持续时间短。

（4）为防止隧洞内泥沙淤积对流量计的影响，流量计安装高度距地面10cm，加之流量计的盲区为8cm，这样，在低水位时会造成一定的测验误差。而且，水深越小，影响越大。

［1］赵瑞娟.输水隧洞水力糙率原型观测试验研究［D］.西北农林科技大学，2008.

［2］韩立.大直径混凝土隧洞的糙率问题［J］.云南水电技术，2000（04）:64-68.

［3］李效贤.长距离输水管道糙率现场测试［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

贾铭洋（1983年—），男，工程师。