裕溪闸站在线流量监测与实测流量比测分析

周唤唤

(安徽省农村饮水安全技术中心,安徽 合肥 230041)

河流流量是单位时间内通过江河某一横断面的水体体积,是反映江河等水体水量变化的基本数据,也是河流重要的水文要素之一[1-2]。准确、快速、便捷的河流流量测量技术是数据准确的根本保障[3],对于流域与河口的水资源管理与环境保护等有着重要的现实意义。

河流流量监测是洪水预报和水资源计算的重要数据基础,是水文分析服务深化的重要手段[4]。传统的河流流量测验方法包括人工船测、涉水测量、缆道测量和桥测等,需要在测流断面上布设多条垂线,并在每条垂线上测量流速与水深,得到垂线平均流速从而得到断面平均流速,费工费时,效率较低[5]。随着国民经济和社会的发展,各种行业对水文信息监测的时效性要求日益增高,传统水文测验由于测验技术手段的制约,导致时效性较差。近年来,国家对水利行业加大投入,中小河流水文监测能力进一步提升。最严格水资源管理制度的实施,要求流量实行在线监测。在线流量监测将极大地提高测流效率,提升我国水文测验行业的能力和水平[6]。

传统流量监测以人工监测为主,需要大量人力成本,随着现代化流量监测技术(如超声波时差法、侧扫雷达在线流量法、高性能视频水面流速法、电磁法、点流速雷达在线流量法、水平式ADCP在线流量法等)在河流流量测量中的推广及广泛应用[7-9],按照小时或分钟对河流水文要素进行实时监测在大部分的河流断面得以实现。随着流量在线监测技术手段不断完善提高,越来越多的河流断面实现了流量的在线监测,但在部分特殊河道断面,如受潮汐影响的大江大河的流量测验中,在线监测手段仍面临较大的挑战,一般采用水平式[10]、垂直式ADCP[11]的方式进行监测。

声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是当前在我国逐渐兴起的一种新型测流仪器,具有操作方便、快速高效、稳定可靠等优点[12]。安徽省芜湖市的裕溪闸水文站一直以来存在实测流量频繁、测流任务繁重等问题,近年来,随着ADCP在技术上日益完善,以及无线通信技术的快速发展,解决裕溪闸水文站流量测验问题具备了切实可行的技术条件。芜湖水文局引进了在线监测流量系统,根据代表线法测流原理,采用走航ADCP结合缆道控制系统,裕溪闸水文站成功地实现了断面流量、流速的实时监测。结合裕溪闸水文站的水文特性和流量监测设备的使用,本文对裕溪闸水文站在线监测流量与实测流量进行比测分析,判断自动流量监测系统的准确性、稳定性、可靠性及在裕溪闸水文站的适用性。研究成果可为类似河段其他水文站的流量实时在线监测应用提供新的技术方案,具有良好的推广价值。

1 测站基本情况

1.1 测站概况

裕溪闸水文站位于安徽省芜湖市鸠江区裕溪闸,是裕溪河出口,巢湖水系主要控制站、水功能区监测站、裕溪闸调度控制站、水资源控制站,主要为防汛抗旱、水资源和水质监测等提供服务。

裕溪闸水文站集水面积为12940km2。断面河道顺直,系人工开挖,两岸有堤防。流量测验断面在闸上140m处,测验河段为单式河床,断面左岸为节制闸与船闸间的导流堤,高程12.10m,当水位超过12.10m时,出现漫堤与船闸水道连为一片。断面右岸为备建船闸导流堤,高程12.00m,当水位超过12.00m时,右岸水面较宽。上游1.5km右岸有排涝站一处。

裕溪河河道全长60.4km,其中巢湖闸至裕溪闸间56.5km,裕溪闸至河口间3.9km,比降为1/34000。

1.2 测流断面特性

流量测验断面在裕溪闸上游140m处,测验河段顺直,两岸有圩堤,堤顶高程左岸13.60m、右岸12.90m(冻结基面),河道主槽居中;裕溪闸下游为长江。该河段河床稳定,断面冲淤变化小,多年变化不超过±3%;断面有水草等植物生长。裕溪闸站受闸门变化影响,水位会出现陡涨陡落。受潮汐影响,裕溪闸站流量测验任务较为繁重。

裕溪闸站流量测验以满足定线、推求逐日流量和各项特征值为原则,同时还应满足防汛调度和抗旱的要求,流量测量要满足实测流量过程线定线推流要求,每年根据闸门开启孔数、高度、流态及相关因素的变化等,合理安排流量测次,流量测次满足实测流量过程线法推流要求。

2 测流断面特性

2.1 裕溪闸水文站在线测流系统

2.1.1 双垂线法测流原理

双垂线法ADCP在线测流系统,由ADCP施测断面中泓两侧的两条垂线流速,根据垂线流速计算模型,计算出符合规范要求的若干条垂线流速,用部分流速面积法计算流量。这种推流方法不是代表垂线法,其核心是二线能坡法流量计算模型。

双垂线法流量计算模型主要参数常用于明渠流量或速度经验公式,适用于均匀流,采用曼宁公式进行计算:

(1)

式中:v为速度,m/s;k为转换常数,国际单位制中值为1;n为糙率,是综合反映河床粗糙情况对水流影响的一个系数,其值一般由实验测得,使用时可查表选用;Rh为水力半径,是流体截面积与湿周长的比值,湿周长指流体与明渠断面接触的周长,不包括与空气接触的周长部分;S为明渠的比降。

2.1.2 双垂线法流量计算模型说明

借助水力学模型建立流速与比降关系,代入曼宁公式,求解出比降和垂线流速,最后根据部分流速面积法推导出断面流量,从而使成果精度显著提高,并借助等效流量原理,解决多种非恒定、非均匀流条件下流量的计量问题。

a.建立比降与流速关系。在非均匀流条件下,由于超出了曼宁公式的适用范围,即使水面比降观测得再准,也不能用曼宁公式求得准确结果。为此,改用两条实测垂线流速反求比降的方法。

根据河流特性,假定一个水面比降S′的值,根据河段和断面资料划分出断面的分块糙率,用上述方法计算出第i条垂线流速。用第i条实测流速v′i作为已知的条件,则参数计算公式为

S=(vi/v′i)S′1/2

(2)

式中:S为第i条垂线比降参数;vi为第i条垂线实测流速,m/s;v′i为曼宁公式计算的流速,m/s;S′为假定比降。

b.求解比降参数。当断面设有两条实测流速垂线时,可求得两个比降参数,左边垂线至左岸各垂线流速计算采用左垂线的比降数值,中间部分垂线采用左、右两垂线比降参数的差值按线性内插法计算各垂线流速,右垂线至右岸之间垂线采用右垂线比降参数计算各垂线流速。

c.求解比降参数。代入曼宁公式计算矩形断面和三角形断面改正系数,利用实测左、右两条垂线流速v左、v右之和的平均值求得各垂线间的流速。

2.2 裕溪闸水文站大断面图

大断面测量的范围应为水下部分的水道断面测量和岸上部分的水准测量。水道断面的水深测量结果应换算为河底高程,岸上部分应测至历年最高洪水水位以上0.5～1.0m,见图1。

图1 裕溪闸水文站大断面

2.3 ADCP安装航标灯船型浮标体的布置

裕溪闸水文站航标灯浮体安装ADCP流量监测站情况见图2,经过数据的初步分析,现将1号、2号ADCP的位置设定为起点距的55m和135m。

3 流量比测

流量比测成果统计以走航ADCP测流法的实测流量成果为标准值,本次选用209个实测流量Q实与相应的在线流量Q线进行对比(见表1),并进行符号检验、适线检验和偏离检验。符号检验是检验设定的关系曲线两侧测点数是否均匀合理;适线检验是检验测点曲线正、负符号的排列情况;偏离检验是检验点偏离关系曲线的平均相对误差是否在合理范围内。依据结果,判断其关系曲线是否合理,不合理则需重新确定新的关系曲线。

表1 裕溪闸站Q实-Q线关系曲线检验计算(K=1.00)

依据《水文资料整编规范》(SL/T 247—2020)要求,选取裕溪闸流量关系曲线中系统误差不大于1%、随机不确定度不大于8%,具体标准见表2。

表2 裕溪闸站Q实-Q线关系曲线检验分析(K=1.00)

从分析结果来看,此次建立的关系曲线不合理,应重新选择新的关系曲线,采用试算拟合的方式对在线流量进行修正,对相关系数K进行分析论证。

用修正后的流量再与实测流量建立相关关系,通过拟合符号检验u、适线检验U、偏离数值|t|,确定K=0.9869,即Q实=0.9869Q线。相关系数K分析统计见表3,建立的线性关系见图3。

表3 相关系数K分析统计

图3 裕溪闸站Q实-Q线修关系

由表3和图3可知,以实测流量Q实为横坐标,以修正后的在线流量Q线修为纵坐标,建立关系图,从图3上可以看出其节点基本均匀分布于45°线两侧,且相对误差普遍较小,说明在线流量修正后精度较高,关系曲线合理。

4 结 语

裕溪闸水文站流量受潮汐影响显著,测流次数多,实现流量的在线监测能够很大程度地减少测流次数。双垂线法ADCP在线测流系统与传统实测流量相比,除了具有操作简单、测验时间短等优点之外,最大的优势在于通过对水层流速的测验来计算河道流量,并实现流量实时监测的自动化,通过该设备的监测和软件处理功能,能实时掌握河流水位、流速、流量的变化,并对特殊情况进行及时、恰当地分析和应对。

选用209个Q实与相应的Q线进行对比,并进行符号检验、适线检验和偏离检验,结果表明:当选取K=0.9869时,即Q实=0.9869Q线,可以满足规范要求。下一步,按照选取的K值对以后的实测流量Q实与在线流量Q线进行验证,确保选取的K值满足该站的使用要求。