淺談水文新儀器在流量測驗中的應用

姚建棟 黃 靜

淺談水文新儀器在流量測驗中的應用

姚建棟 黃 靜

一、儀器簡介

在2003年淮河流域大洪水中，許多重要水利工程的流量測驗經(jīng)受了極大的考驗，而傳統(tǒng)的測流方法已不能完全滿足要求，因此二河閘水文站在汛后引進了先進的多普勒流速流量剖面儀（H-ADCP流量在線自動監(jiān)測系統(tǒng)）；淮陰閘也引進了走航式ADCP；新沂河?？诳刂乒こ逃捎谥挥性谛泻闀r才可能需要入海流量，再加上流速快、距離遠，故特別引進了美國產(chǎn)的SVR-VP電波流速儀（測速雷達槍）。

ADCP是一種利用聲學多普勒原理測量水流流速剖面的儀器。具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點，一般應用于海洋、大江河口的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查以及流速和流量的測驗。

SVR-VP電波流速儀專門用于河流水面流速測量，很容易測到高速水流表面物體的流速，由此提供水面流速。浮草和顆粒漂浮物可給雷達槍提供足夠的反射信號，水面波動同樣可提供很好的反射信號，波紋和橫流會在各個方向上產(chǎn)生流速。測量過程中，SVR讀取所有流速信號最終給出的是基于全部反射信號的平均流速。

二、測流數(shù)據(jù)比較

1.H-ADCP測流數(shù)據(jù)與走航式ADCP數(shù)據(jù)的比較

為了實現(xiàn)二河閘流量自動監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，利用走航式ADCP對二河閘下游測流斷面在淹沒式孔流條件下35孔平均開啟時，測得的流量測驗數(shù)據(jù)與H-ADCP測得的1～100單元平均流速進行了對比分析，H-ADCP的1～100單元不同閘門開高情況下的平均流速見圖1，H-ADCP與走航式ADCP的斷面平均流速相關(guān)關(guān)系見圖2。

從圖 1可以看出，H-ADCP的1～100單元各單元流速在不同開高條件下關(guān)系點都較散亂，與走航式ADCP測得的斷面平均流速的誤差也大，故采用H-ADCP的1～60單元流速與走航式剖面儀的流量數(shù)據(jù)建立線性關(guān)系見圖2，在不同的閘門開啟高度下，兩儀器的斷面平均流速之間存在著一定的線性關(guān)系。

2.走航式ADCP與傳統(tǒng)流速儀數(shù)據(jù)的比較

當二河閘出現(xiàn)堰流條件的水情時，由于沒有固定的堰流關(guān)系線，故不能通過關(guān)系線推流，只能采用實測流量報汛。2005年6月下旬，由于洪澤湖水位過低，二河閘閘門全部提出水面，流態(tài)達到淹沒式堰流，利用走航式ADCP在下游測流斷面進行流量數(shù)據(jù)報汛的同時，用傳統(tǒng)流速儀在節(jié)制閘公路橋上進行閘孔測流，并對兩者的同步流量數(shù)據(jù)進行了比較，其流量數(shù)據(jù)對比見圖3。

從圖3可以看出，流速儀與走航式ADCP的同步比測的流量數(shù)據(jù)點基本分布在y=x關(guān)系線兩側(cè)，有兩個誤差稍大的點都是流速儀的測量結(jié)果大于ADCP的測量結(jié)果，其誤差分別為8.8%、3.6%，多個測次的總體平均誤差較小，控制在1.5%左右，由此證明ADCP的測流精度比較高，而且測流歷時短可滿足流量報汛的需要。

3.電波流速儀與傳統(tǒng)流速儀測流數(shù)據(jù)的比較

新沂河位于江蘇省北部，全長146km，是沂沭泗流域洪水的入海通道尾閭，擔負著沂沭泗流域的泄洪任務(wù)，并相機分泄淮河洪水。新沂河?？诳刂乒こ探ㄓ谛乱屎尤牒？谔帲且抒疸艉樗畺|調(diào)南下工程中重要項目。整個工程布局為兩泓三灘，南、北兩條深泓開挖建閘，三個淺灘分別建橡膠壩擋潮泄洪。

2005年8月5 日，由于上游嶂山閘開閘泄洪，且泄洪流量超過3000m3/s，新沂河?？诳刂乒こ躺舷掠嗡皇芎３庇绊憰円棺兓容^大。由于沒有固定水文測站，因此利用電波流速儀與傳統(tǒng)流速儀進行流量測定，在測流期間，人工兩小時觀測水位一次，其南壩與南深泓閘水位變化過程見圖4，北壩與北深泓閘水位變化過程見圖5。

利用電波流速儀對南橡膠壩、南深泓閘、北壩、北深泓閘分別進行逐孔打點測量，測得的流量分別為890m3/s、1570m3/s、553m3/s、383m3/s，斷面流量總和達到3396m3/s，利用電波流速儀測定的流量其中南壩、南深泓閘與北壩、北深泓閘的分流比達到了2.63。

流速儀測量采用在閘上公路橋上閘孔測流，兩者測得成果的分流比與斷面總流量進行相關(guān)分析見圖6。

從圖6中可以得知，在有限的幾個流量測次里，新沂河?？诳刂乒こ绦购檫^程中，南橡膠壩、南深泓閘與北橡膠壩、北深泓閘的分流比隨著斷面總流量的提高而有擴大的趨勢。而電波流速儀由于測定的流速為水面流速，故流速比垂線流速要偏大，即在同樣的分流比條件下，電波流速儀的測量結(jié)果算出的流量偏大（在圖6中的方形點為電波流速儀的測次）。

三、誤差分析

從二河閘出現(xiàn)的淹沒式堰流條流條件下的走航式ADCP與傳統(tǒng)流速統(tǒng)流速儀的測量結(jié)果，可以通過表1中看出，走航式ADCP的測量結(jié)果誤差較小，平均總體誤差不超過1%，最大的測點誤差為8.8%，不超過10%；其12個測次的標準差值Se=0.036。走航式ADCP在水文流量測驗過程中與傳統(tǒng)流速儀的誤差很小，相較傳統(tǒng)流速儀更加方便快捷，減少了汛情緊張時的工作量且測量結(jié)果的精度良好。

表1 走航式ADCP與傳統(tǒng)流速儀誤差分析表

圖1 35孔全開（未出水面）H-ADCP（1-100單元）流速關(guān)系圖

圖235孔全開（未出水面）H-ADCP與ADCP流速關(guān)系圖

圖3 ADCP與流速儀流量關(guān)系線

圖4 南壩、南深泓閘水位過程線

圖5 北壩、北深泓閘水位過程線

圖6 ?？诳刂乒こ塘髁颗c分流比關(guān)系

新沂河?？诳刂乒こ绦购榱髁繙y量中，電波流速儀使用雷達原理測量水流表面的流速，是一種非接觸式流速測量儀器，在測量高速水流及洪水時，SVR是極為有價值的，它避免了接觸式流速儀帶來的不安全隱患。從圖6中的電波流速儀（方形測點）可以看出，在相同的水情條件下，由于SVR測的是水面流速，故總體流量偏大，其測量結(jié)果還不能參與流量資料的整編，只能作為流量測定的一個參考數(shù)值。

四、應用前景

近年來，許多新的水文儀器投入了流量測驗的過程中，其測量原理和測驗方法已得到廣泛認同。新儀器在提高測驗安全性、測驗精度、測驗時效性上都比傳統(tǒng)的測流儀器以及測驗方法迅捷簡便。很多新儀器還結(jié)合GPS、全站儀、高精密度水準儀等工程測量儀器一起參與許多水工建筑物的測量，為工程運行效益提供了有力的數(shù)據(jù)支持，方便了測驗人員測驗工作量的同時，也對測驗人員提出了更高的技術(shù)要求，相信隨著引進力度的加大，會有更多的儀器投入到水文流量測驗過程中來

江蘇省淮沭新河管理處淮陰閘管理所 223300 江蘇省灌溉總渠管理處水文站 223200）