孫芬花

（河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局,石家莊050051）

1 概述

在南水北調(diào)中線工程全線貫通之前，為了應(yīng)急緩解北京市的供水缺口，河北省從2008年開(kāi)始通過(guò)南水北調(diào)中線京石段總干渠，分階段向北京供水。黃壁莊水庫(kù)出庫(kù)水量經(jīng)石津渠進(jìn)入南水北調(diào)中線總干渠，供水線路長(zhǎng)18km。石津渠在入中線總干渠渠口前設(shè)有測(cè)驗(yàn)斷面，以便準(zhǔn)確測(cè)量供北京的水量?，F(xiàn)有的測(cè)驗(yàn)設(shè)備采用水文纜道，用流速儀多線多點(diǎn)法（即精測(cè)法）施測(cè)，每測(cè)一次流量需要1h以上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且無(wú)法進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè)。故找出一種既能滿足流量測(cè)驗(yàn)精度要求，又能縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，并能實(shí)時(shí)上傳流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方法尤為重要。

2 斷面概況

石津渠入干前測(cè)驗(yàn)斷面位于石津渠與南水北調(diào)中線總干渠分水交叉口前150m，分水口后設(shè)立石津渠入干后測(cè)驗(yàn)斷面，兩者的監(jiān)測(cè)結(jié)果用于計(jì)算黃壁莊水庫(kù)出庫(kù)水量中給北京和石津灌區(qū)供水的分?jǐn)偙壤?。兩個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面均為2008年新設(shè)斷面，斷面為梯形，斷面寬41.0m，深5.5m，河床穩(wěn)定沒(méi)有沖淤。由于測(cè)驗(yàn)斷面上下游均有電站，入南水北調(diào)總干渠渠口也有閘門(mén)控制，受其影響，水位沒(méi)有代表性，水位流量關(guān)系不穩(wěn)定。

3 現(xiàn)有測(cè)流方案

為了保證測(cè)驗(yàn)精度，根據(jù)規(guī)范要求，采用流速儀精測(cè)法測(cè)流［1］。全斷面共選取9條測(cè)速垂線，起點(diǎn)距分別為5.0，9.0，13.0，17.0，21.0，25.0，29.0，33.0，37.0m，每條垂線用三點(diǎn)法施測(cè)（相對(duì)水深0.2，0.6，0.8）。

4 精簡(jiǎn)分析

為了更全面地掌握斷面流速分布特征，探求各垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系，現(xiàn)用2008～2009年流速儀精測(cè)法實(shí)測(cè)的流量資料進(jìn)行分析，分中低水（水位在98.10m及以下流量測(cè)次）和高水（水位在98.10m以上流量測(cè)次）兩種情況，以斷面上每條測(cè)速垂線的垂線平均流速分別與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，找出流速單斷關(guān)系較好的測(cè)速垂線位置［2］。

由于關(guān)系線較多，只列出高水流量測(cè)次起點(diǎn)距為13.0m的垂線平均流速（V13.0）與斷面平均流速（VD）的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 V13.0～VD單斷關(guān)系

其他測(cè)速垂線的流速單斷關(guān)系及各關(guān)系線的隨機(jī)不確定度如表1，關(guān)系圖略。通過(guò)分析可知，無(wú)論是高水還是中低水，起點(diǎn)距為13.0m的垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系（V13.0～VD關(guān)系）最好，關(guān)系點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的隨機(jī)不確定度小于等于8%，符合一類精度水文站的定線精度指標(biāo)［3］。

定線分析時(shí)，受流速脈動(dòng)影響，個(gè)別垂線流速紊亂，關(guān)系點(diǎn)偏離關(guān)系線太多，故舍去。

表1 各垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系

再用起點(diǎn)距為13.0m的實(shí)測(cè)垂線平均流速和V13.0～VD關(guān)系式，進(jìn)行流量精簡(jiǎn)分析。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，精簡(jiǎn)后算得的流量與精測(cè)法實(shí)測(cè)的流量相比，其誤差限界必須達(dá)到“流量相對(duì)誤差不超過(guò)±5%，累積頻率達(dá)到75%以上”或“流量相對(duì)誤差不超過(guò)±10%，累積頻率達(dá)到95%以上”［4］。

在分析的196份流量測(cè)次中，高水分析測(cè)次51次，其流量相對(duì)誤差不超過(guò)±5%的有36次，其累積頻率為70.6%，不符合要求；流量相對(duì)誤差不超過(guò)±10%的有51次，其累積頻率為100%，符合要求。中低水分析測(cè)次145次，流量相對(duì)誤差不超過(guò)±5%的有117次，其累積頻率為80.7%，符合要求；流量相對(duì)誤差不超過(guò)±10%的有145次，其累積頻率為100%，符合要求。對(duì)其他測(cè)速垂線進(jìn)行了精簡(jiǎn)分析，但誤差都達(dá)不到要求。

通過(guò)以上計(jì)算分析可知，石津渠入干前斷面精測(cè)法測(cè)速垂線，無(wú)論中低水還是高水，起點(diǎn)距為13.0m的測(cè)速垂線，其垂線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系最好，符合水文規(guī)范的要求，所以起點(diǎn)距為13.0m的測(cè)速垂線比其他8條測(cè)速垂線的代表性好。

5 淺水式多普勒流速儀應(yīng)用

淺水座底式多普勒流速儀淘金者—SW型（儀器如圖2所示），是美國(guó)Son Tek/YSI公司生產(chǎn)的實(shí)時(shí)流速測(cè)驗(yàn)設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流速、水位和流量，能夠很容易地安裝在明渠或者管道的底部。淘金者—SW型多普勒流速儀有三個(gè)聲學(xué)波束，其中使用成一定角度的兩個(gè)聲學(xué)波束來(lái)測(cè)量剖面的流速，第三個(gè)垂直聲學(xué)波束監(jiān)測(cè)水位，并能根據(jù)水位變化自動(dòng)調(diào)整測(cè)量范圍（測(cè)流原理如圖3所示）。淘金者—SW型多普勒流速儀適用于淺水，要求河道或渠道的水深在0.2～5.0m之間，流速范圍±5m/s［5］。

圖2 淘金者—SW型多普勒流速儀

圖3 淘金者—SW型測(cè)流原理

使用前用戶要將測(cè)量來(lái)的斷面幾何尺寸輸入計(jì)算機(jī)中，淘金者—SW型多普勒流速儀采集的實(shí)時(shí)水位對(duì)應(yīng)于過(guò)水面積。其后，淘金者—SW型多普勒流速儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將實(shí)時(shí)測(cè)量的流速、水位傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理就得到實(shí)時(shí)流量測(cè)驗(yàn)成果［6］。

使用淘金者—SW型多普勒流速儀測(cè)流，首先要確定儀器最佳的固定安裝位置，即首先要對(duì)流速儀精測(cè)法的多條垂線進(jìn)行率定，找出垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系較好的測(cè)速垂線，也即應(yīng)首先找出淘金者—SW型多普勒流速儀固定在那條測(cè)速垂線上測(cè)得的流量精度高，符合規(guī)范要求。

通過(guò)上述分析可知，對(duì)石津渠入干前測(cè)驗(yàn)斷面而言，把淘金者—SW型多普勒流速儀固定在起點(diǎn)距為13.0m的測(cè)速垂線上最符合測(cè)驗(yàn)精度要求。若再經(jīng)過(guò)比測(cè)率定，準(zhǔn)確地建立淺水座底式多普勒流速儀施測(cè)的垂線平均流速與流速儀法施測(cè)的斷面平均流速的關(guān)系，推求出的斷面流量精度會(huì)更高，更符合水文規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)南水北調(diào)石津渠入干前斷面測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)分析可知，起點(diǎn)距為13.0m的測(cè)速垂線的垂線平均流速與斷面平均流速有較好的相關(guān)關(guān)系，誤差評(píng)定符合水文規(guī)范的要求，所以起點(diǎn)距為13.0m的測(cè)速垂線的垂線代表性最好。

（2）把多普勒流速儀固定垂線上進(jìn)行流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并做比測(cè)率定，找出其施測(cè)的垂線平均流速與流速儀施測(cè)的斷面平均流速的關(guān)系，推求斷面流量。

（3）用多普勒流速儀進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè)，既減輕了測(cè)驗(yàn)工作量，又能將流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，為決策機(jī)構(gòu)科學(xué)調(diào)度提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

［1］GB50179—1993，河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］．

［2］任華．東臺(tái)（泰）水文站流量測(cè)驗(yàn)測(cè)速垂線精簡(jiǎn)分析［J］．江蘇水利，2010（3）．

［3］SL247—1999，水文資料整編規(guī)范［S］．

［4］王錦生．水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)［K］．北京：水利電力出版社，1983．

［5］楊豐，楊俊青．多普勒法測(cè)流技術(shù)簡(jiǎn)介［J］．水文，2004（2）．