一种输水渠道淤积量的快速测量方法

宗理华，张　林，崔庆福（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250014）



一种输水渠道淤积量的快速测量方法

宗理华，张林，崔庆福
（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250014）

【摘要】利用ADCP探测水深的功能和基于渠道断面的走航测量方式，本文提出一种快速测量渠道淤积量的方法，推导了淤积量计算公式，并在济平干渠进行了现场试验。理论和试验表明，利用ADCP来测量渠道淤积量是可行的，并具有精度高和效率高的特点，值得在清淤工程中推广应用。

【关键词】南水北调；输水渠道；淤积；ADCP

南水北调工程为实现渠道输水流量的快速测量配置了ADCP，利用ADCP探测水深的功能和基于渠道断面的走航测量方式，本文提出了一种快速测量渠道淤积量的方法，较传统的测绳法大幅提高了测量效率和测量精度。

1　 ADCP测量渠道淤积量原理

ADCP全称声学多普勒流速剖面仪，因能够实现走航式快速测量，近年来广泛用于河流、海洋的流量、潮流测量。当用于明渠测流时，ADCP安装在微型测量船上，通过绳索拉动测量船横移通过渠道断面，ADCP向水中发射固定频率的声波短脉冲，声波碰到水中的悬浮颗粒物（泥沙颗粒等）发生散射，因悬浮颗粒物与测量船之间存在相对速度，回波会产生频移，ADCP接受和处理回波信号，利用多普勒频移原理进行分析，测得悬浮颗粒物的矢量流速。ADCP根据自身的坐标系统，将横移轨迹断面划分成若干网格区域，根据悬浮颗粒物流速可计算其所处网格区域的平均流速，通过断面积分就得到了渠道断面流量。

ADCP测流的一个附带成果就是能够测得水深，及流速为零的横移轨迹断面的水下边界形状。如果控制横移轨迹断面为渠道过流断面，与已知的渠道设计尺寸相对比，则可得到过流断面淤积厚度分布，通过计算可得过流断面的淤积面积。沿渠段多测得几个断面，即可拟合得到渠段内的淤积面积分布，从而可以积分得到渠段的淤积量。

2　断面淤积面积的计算方法

2.1测量坐标系

山东南水北调工程使用的是美国RDI公司的瑞江系列ADCP，配置WinRiver软件，可直接输出各测点的水深hi和横移长度li。设测量过程中的坐标系为x＇-o＇-y＇，即以ADCP横移起点为坐标原点，以ADCP横移方向和水深方向为x＇、y＇坐标，则各测点的坐标为：

2.2渠道设计断面型线

渠坡的上部一般不会淤积，所以对左、右渠坡的上半段的测量数据L1～Ln和R1～Rn按照设计边坡系数a1和a2进行线性拟合，即可得到左、右边坡型线的方程式：

再根据水位和设计渠道设计高程得到水深H，将0和H分别作为y＇坐标带入式（2）中，即可确定出左、右渠坡与渠底和水面线的交点C1、C2、C3、C4的坐标，连接以上四点即得到水下渠道设计断面的型线，如图1所示。

图1　渠道设计断面型线

2.3坐标变换

设立笛卡尔坐标系x-o-y，以C2为坐标原点，按式（3）对前述计算结果进行坐标变换。

将式（3）代入式（2）中，整理可得到新坐标系下的左、右侧渠坡的方程式为：

其中b=H-b2+a2/a1（b1-H）

2.4淤积曲线特征点

按x坐标排列测量点，对于左渠坡型线，取偏差超过2倍平均拟合偏差且位于型线右侧的第一个测量点为淤积始点P1。对于右渠坡型线，取偏差超过2倍平均拟合偏差且位于型线左侧的第一个点为淤积终点P4。以C2、C3点对应的x坐标点为P2、P3点，如图2所示。

图2　断面淤积面积

2.5断面淤积面积

对P1～P2、P2～P3、P3～P4之间的测点分段拟合为曲线Yp1p2、Yp2p3、Yp3p4，拟合曲线与渠道设计断面型线之间的面积即为淤积面积A，可以按式（5）分段积分计算。

3　淤积量测量试验

采用前述方法，对山东南水北调济平干渠桩号30+712～31+135之间的渠段进行了测量试验。试验时控制ADCP横移轨迹断面接近渠道过流断面，并在试验后选用一个非淤积点，采用测绳人工测量水深，与ADCP测量结果和设计推算结果进行比对。人工测量水深为2.72 m，ADCP测量为2.73 m，设计推算为2.71 m，可见三者非常接近，ADCP测量结果是可信的。

图3为桩号30+992断面的测量结果显示，该断面位于弯道，右侧为凸岸，左侧为凹岸。测量结果显示渠道凹岸侧淤积较小，最小淤积厚度仅2 cm，而凸岸侧淤积较大，最大淤积厚度45 cm。

图3　桩号30+992断面淤积情况测量结果

图4为渠段内测量的14个断面的淤积面积的计算结果，将14个离散点拟合成曲线，曲线下所覆盖的图形面积即为淤积量，积分计算得到淤积量为1 053.5 m3。

图4　渠段内14个断面的淤积面积测量结果

4　结语

1）利用ADCP超声波精确测量水深的功能来测量输水渠道的淤积量在理论方面是可行的，在实践方面可操作的，并具有较高的测量精度。

2）利用ADCP基于渠道断面的走航测量方式，能够快速地实现整个渠段的测量，较传统的测绳法大幅提高了效率。

注：2014年山东省省级水利科研及技术推广项目（编号：SDSLKY201505）。

（责任编辑崔春梅）

【中图分类号】TV146

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2016）-03-0050-02

收稿日期：2015-05-18

作者简介：宗理华（1973—），女，工程师