三家店永定河引水渠供水流量监测数据成果分析

程 震，杨 凌，韩艺伟，董志东，朱 倩

（1.北京市水文总站，北京 100089；2.北京新敏兴业环境科技发展有限公司，北京 100089）

1 概述

1.1 三家店永定河引水渠基本情况

永定河引水渠是北京市修建最早的第一条引水工程，兴建于1956 年1 月至1957 年7 月。永定河全区三家镇张店村的城龙引河拦截排水渠上还曾修建有一座用于城龙引河拦截入江过河桥的引水闸，共17 孔，孔宽12m，闸底上部闸顶胸墙高程102m，设12m×8m 的大型钢制弧形门和不锈钢大型钢制引水闸门。城龙过河拦截进入河的引水闸，设二孔，孔宽4.5m，弧形门为不锈钢大型钢制引水闸门，闸底上部闸顶胸墙高程105m，设有一个弧形胸墙，孔口高2.2m。这座城龙引水拦截过河灌渠又称引水拦截闸，系一条引水管道多孔式的引水暗渠，设于一座城龙引河拦截过江入河桥的引水闸右[1]。

1.2 数据来源

原始数据采集于ADCP 测流仪以及XP-256 型测流仪。采集方式为通过ADCP 测流仪对河道进行5 次测量，最终得到有效数据5 个。并通过XP-256 型测流仪共进行了4 组测流，每组测量时间为5min，测量期间可以得到10 个流量数据，每两组测流之间相隔5min，最终得到有效数据40 个。

2 测流仪介绍

2.1 XP-256 型测流仪介绍

河床的演变是河流能量转换与再分配的过程，在此过程中还具有一定的或然率。而河流熵理论是从能量和或然率的角度研究河流能量得耗散和分配规律。挟流的沙流和水流的动能水力作用机械的动能由河流水和水的悬移质所结合组成的浑就是水体的运动势能和质体动能（推移质运动需要水流提供能量，推移质不能增加水流的比重，仅有水和推移质经过转换而成为水和悬移质后，才能同时提供其他水力作用机械的动能）组成。其工程机械运动能的各种损耗分散方式由以下若干组成部分联合组成：一部分推动推移质运动作有用功，转化而成为漂浮推移质的平均可用动能，维持漂浮推移质平均运动；其余都同时转化而成为紊乱的动能和紊乱热能，其中紊动能又有一部分悬浮悬移质作有用功，转化为悬移质的平均势能，维持悬移质悬浮和浑水平均比重，其余紊动能都转化为热能耗散。由此可得，对输水输沙及河床演变无效的热能并不全都由水力机械能的损耗转化而来，河流最小沙和可用沙的能耗率计算原理可通过表达定义为：在一定河床来自河水水流来源于沙的一定条件下，河流总是在一定的有约束力的条件下尽可能多地调整所有沙的可变量，以达到使得河流挟沙进入水流的可用沙和机械运动能耗和损耗能效率大大减小，且其中当一定河道水流稳定时为最小，最小值的计算数值一般取决于一定来自河水水流来源的沙和一定河床来水边界处的条件，该河流损耗能效率原理可用一种如下计算公式进行表达。

式中：P——可用机械能损耗率，即熵产生率；γm——浑水平均比重；Q——流量；U——流速；Je——能坡；γs——泥沙比重；γ——水的比重；S——悬移质含沙量；ω——悬移质平均沉速；gb——单宽推移质输沙率；Bd——推移质输沙带宽；Ug——推移质运动速度；ϕ——推移质水下休止角；J0——河床坡降[2]。

天然造床河流的主要来源输水变量来水输沙演化过程一般来说是一个非恒定变化过程，河床变量演变演化过程一般是由不平衡向相对自动平衡方向调整的一个渐变变化过程，河床变量演变过程在天然造床自动流量和来水沙平衡条件下可以表现为突出均衡性和稳定性，形成相对稳定的天然河床变量形态，河流最小长度可用输沙能耗率均衡原理分析及其表达式全面地准确反映了干流河道冲积输水后的输沙和支流河床变量演变的自动能耗均衡特性，统一性地表达了河道清水流入明渠的支流和河道冲积后的河流均衡演变稳定的基本机理，不仅在系统数学上完整地准确表达了河道冲积后的河流对于河床变量演变的自动均衡调整控制作用及其基本原理，还准确反映了河道床面输沙质和清水冲泄质的自动划分作用标准、高含沙冲积水流的排沙特性和河床挟沙力特性等，说明一个河床变量演变过程是多个河床变量之间的一种综合演变关系，因此，利用变分原理中的最大熵原理，可做明渠水流流量研究中的应用。

我国长期水文生产实践中对天然渠和明渠洪水流量变化预测本身技术要求高和预报准确精度高、时效性强。但再当前这个阶段，国内在工程流量管理计算和科学测量方法的实际应用研究方面仍然在技术整体上仍然处于一个萌芽发育阶段，虽然已经取得了一些可用的研究结果，但与国外水平相比仍然还有很大的发展差距。在大部分大型水利水电工程中，流量的计算测量和科学计算还主要停留在一些经典的流量计算和科学测量方法上。例如有关水文部门依据大量实测，发布了关于电波流速仪的测量规程中关于表面流速与断面平均流速的经验系数[3]。

但是，天然淡水明渠流动是很典型的三维明渠流动，这主要原因如下：①明渠河道的不规则弯曲形状；②河道边界线和粗糙度的不同；③河道湍流的各向不特异性。真正的是因为三维明渠流动的数学复杂性，对其流动进行彻底的科学研究与进行理论上的分析就会存在较大困难，建立天然明渠三维流动控制函数方程时，如果不对许多参数做出明确的边界条件限定很难得到满意的计算结果。并且通过据此简化诸多参数得到的经验系数（K）来推导不同水位下的断面平均流速既不够严谨也不够精确。

20 世纪70 年代以来，激光湍流测速与电子adcp测速技术广泛地的被应用于整个明渠过程湍流的测量研究。现代仪器测量精度的不断增加已经使得我们已经能够比较清晰的观察得到整个明渠过程中的整体流速流场分布，以便于我们能够对整个明渠过程中的整体流场分布进行更加深入的测量分析。通过对明渠实验中的数据进行分析与实验总结我还可以帮助建立明渠流量与其他的影响明渠因素之间的整体数学关系模型。

XP-256 声学中的多普勒频移剖面脉冲流速仪主要是用于利用流体声学中的多普勒频移效应对水进行流速测流的。从被测设备的回波换能器中会发生一定脉冲频率的回波脉冲，当该回波脉冲信号碰到水中的一个发射脉冲物体（即比如悬浮水中物质）后就会产生一个回波脉冲信号，该水的回波脉冲信号被通过声学多普勒脉冲流速仪进行接收。悬浮水中物质的流会不伴随随着水流而产生漂移，从而对水产生声学多普勒频移效应（这意即一个回波脉冲信号在其额定的频率与水中发射物体信号的脉冲频率之间就会产生一个脉冲频差），通过流速测量脉冲得到的多普勒脉冲频移信号可直接得到位于相应悬浮点的物体流速[4]。

剖面流速测量单元以时间为尺度，采集水中不同的单元频移，进而完成各单元的速度测量。本仪器最大的剖面流速单元数为256 层。

2.2 ADCP 测流仪介绍

RiverPro（瑞谱）型走航式河流ADCP 是美国TRDI公司最新推出的一款适用于中浅水河流或渠道的智能全自动流量测验系统。该系统是一个集5 波束、智能自适应采样、友好软件界面、高质量技术服务支持为一体的测流系统。

该测流仪具有以下优点。

（1）专门用于浅水小河流、渠道流量测量特殊需求和应用的ADCP（水深0.12～25m 范围）。

（2）为当前使用业内广泛应用认可RioGrande（瑞江）ADCP 用户提供一个升级方案。

（3）波束角20°，使水体底部测量盲区更小，实测流速范围更接近河流。

（4）智能全制动自适应采样测量（多种模式，多种单元尺寸同时进行），用户无须配置也能确保获得高精度的流量测量数据。

（5）1200kHz/600kHz（600kHz 的第5 波束能测量到河底真正的垂直速度，然后校准回波强度指示值RSSI（Return Signal Strenght Indicator），为其测量含沙量作参考）。

3 数据成果分析

3.1 重复性分析

由于ADCP 测流仪仅测量了五个数据，故对这五组数据进行重复性分析，结果如图1 所示。

ADCP 数据结果整体重复性较好，偏差均小于0.025m3/s，五个流量数据时间跨度为40min 左右，其数据结果整体较为稳定，比较均匀得分布在平均值两侧。

由于XP-256 型测流仪一共测量了四组数据，故对这四组数据做了四次重复性分析。

XP-256 数据结果整体重复性好，偏差均小于0.025m3/s，四组流量数据时间跨度为40min 左右，其数据结果整体较为稳定，比较均匀得分布在平均值两侧。

3.2 稳定性分析

本次数据分析中，对于流量值稳定性的评估采用了较为简便的标准差模拟稳定性方法。对数据进行以下处理。

式中：σ——数据稳定性模拟值；Ν——数据个数；μ——算术平均值。

经计算得出如下数据。

经计算，XP-256 型测流仪测得的四组数据的σ 分别 为 σ1=0.014618、σ2=0.015986、σ3=0.014903、σ4=0.035752。ADCP 测流仪的σ=0.321026。

根据计算结果可知，在稳定性上，XP-256 型测流仪输出数据准确性更好。但由于上面的模拟值并未考虑到时间因素的影响，故本文对两款测流仪进行了流量-时间的图像模拟。

XP-256 型测流仪测量时间为11：33：02-12：06：32，总历时1830s；ADCP 测流仪测量时间为10：42：53-11：22：08，总历时2355s。将二者的时间-流量关系曲线刻画在同一坐标系下，如图3 所示。

图中深灰色圆圈曲线是XP-256 型测流仪实测流量，黑色圆圈曲线是ADCP 测流仪实测流量。可以明显看出深灰色圆圈曲线稳定性明显优于黑色圆圈曲线。但二者并非同时进行的流量测量，在咨询上游闸门管理单位工作人员后知，当日闸门开度在测量时段无变化，但仍然会受到流速等影响，导致下游水位变化。二者在稳定性上均表现出较为不错的结果，但并不能因XP-256 型测流仪在稳定性模拟值及时间-流量关系上表现优于ADCP 测流仪，就断定XP-256 型测流仪在稳定性上一定优于ADCP 测流仪。

4 结语

XP-256 型测流仪和ADCP 测流仪在稳定性和重复性上均表现不错，输出的数据良好。XP-256 型测流仪作为一款新设备，在与目前较为成熟的ADCP 测流仪比对时，在数据稳定性和重复性上均能做到与ADCP测流仪相媲美甚至有优于ADCP 测流仪的趋势。这两种测流方式均可以向北京市其他地区推广[5]。