林家村水文站自動(dòng)化測(cè)流方法探討

◎師 奎 楊烈琴

林家村水文站是渭河干流控制站，屬?lài)?guó)家重要水文站，擔(dān)負(fù)著渭河河道和寶雞峽渠道水文要素監(jiān)測(cè)任務(wù)。該站于1974年開(kāi)始渠道監(jiān)測(cè)，渠道監(jiān)測(cè)斷面位于寶雞峽樞紐工程以下2km，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目齊全。林家村站寶雞峽渠道測(cè)驗(yàn)斷面于1974年設(shè)立，斷面距寶雞峽渠首約1km。觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、含沙量。設(shè)站目的為農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)劃用水提供依據(jù)。渠道型狀為梯形，頂寬20m，高4.7m，底寬6.4m。渠道基本順直，基上30m處有一座三孔雙管柱板梁水泥橋，基上80m處有一彎道，基下60m有一彎道?；緮嗝嬖O(shè)斜坡水尺一組，渠道中間原來(lái)建設(shè)的自記水位計(jì)已經(jīng)破舊，現(xiàn)已拆除，水位人工觀測(cè)。

渠道站自1974年以來(lái)實(shí)測(cè)多年平均流量17.5m3/s，最大流量69.9m3/s，最大含沙量為515kg/m3（1974年8月2日）；多年平均年徑流量5.514億m3、年輸沙量 2640萬(wàn) t。

由于在2000年測(cè)驗(yàn)設(shè)施全面更新改造中，只完成了河道測(cè)流設(shè)施的改造，而渠道測(cè)流斷面上移后測(cè)流設(shè)施至今沒(méi)有建成，流量測(cè)驗(yàn)長(zhǎng)期借用1km外的寶雞峽渠首管理站的測(cè)流設(shè)備，站上的測(cè)流、取沙測(cè)驗(yàn)工作很不方便,而且該斷面距離渠首放水閘較近,水流不穩(wěn),影響測(cè)驗(yàn)精度。為了提高測(cè)驗(yàn)精度，減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)渠道水位流量自動(dòng)化測(cè)驗(yàn)，2010年初，省水文局經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查研究后，初步擬定了渠道測(cè)驗(yàn)設(shè)施改造方案，為了確保方案的可行性，決定開(kāi)展寶雞峽渠道測(cè)流斷面的流速系數(shù)分析工作。

一、試驗(yàn)情況

1.測(cè)驗(yàn)方法

按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93）要求，在不同水位級(jí)上進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。測(cè)流斷面和垂線(xiàn)固定，垂線(xiàn)根據(jù)水位級(jí)，每1m布設(shè)一條。在不同水位級(jí)的不同垂線(xiàn)上按照精測(cè)法的要求布設(shè)測(cè)速垂線(xiàn)及測(cè)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行流速儀三點(diǎn)法、水面一點(diǎn)法、0.6一點(diǎn)法測(cè)驗(yàn)。在高、中、低不同水位級(jí)對(duì)比試驗(yàn)，共測(cè)26次（每份流量為一次）。開(kāi)展斷面平均流速與代表垂線(xiàn)平均流速的相關(guān)分析、與某垂線(xiàn)平均流速的相關(guān)分析、與某垂線(xiàn)水面流速關(guān)系相關(guān)分析。

2.儀器情況

在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中所使用的流速儀2架，儀器型號(hào)為L(zhǎng)S25-3A，測(cè)速范圍，0.1635m3/s～10.0 m3/s。

3.測(cè)驗(yàn)過(guò)程

由于原斷面沒(méi)有測(cè)流設(shè)施，本次試驗(yàn)的測(cè)流斷面選在基上30m水泥橋上，為了提高測(cè)驗(yàn)精度，加密垂線(xiàn)，從岸邊每1m布設(shè)一條垂線(xiàn)，實(shí)測(cè)水深。水深滿(mǎn)足時(shí)用流速儀三點(diǎn)法實(shí)測(cè)流速，同時(shí)用流速儀施測(cè)水面流速、流速儀0.6一點(diǎn)法實(shí)測(cè)流速。測(cè)驗(yàn)過(guò)程，精度要求嚴(yán)格執(zhí)行《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93）。

4.實(shí)測(cè)資料的情況

從3月16日至6月25日，共測(cè)資料：三點(diǎn)法26次，水面一點(diǎn)法28次，0.6一點(diǎn)法27次。其中施測(cè)號(hào)第1次只測(cè)了流速儀水面，17次只測(cè)了流速儀水面和0.6一點(diǎn)法，無(wú)三點(diǎn)法。這次實(shí)測(cè)范圍，最低水位611.31m，最高水位613.81m，水位變幅2.50m。但最低水位611.31m，為施測(cè)號(hào)第17次，沒(méi)有三點(diǎn)法施測(cè)的，在分析中，沒(méi)參加計(jì)算。由于受寶雞峽渠首放水影響，很難測(cè)到低水，即10m3/s以下的流量。

5.測(cè)驗(yàn)成果

資料成果情況為，實(shí)測(cè)流速儀三點(diǎn)法26次，0.6一點(diǎn)法27次，水面一點(diǎn)法28次，水面沒(méi)有系數(shù)，直接測(cè)的水面，岸邊系數(shù)均采用0.7。

6.水位流量關(guān)系分析

根據(jù)實(shí)測(cè)26次三點(diǎn)法資料，建立三點(diǎn)法實(shí)測(cè)流量與水位的關(guān)系。關(guān)系良好。

檢驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)差Se=3.97%，隨機(jī)不確定度為7.94%，系統(tǒng)誤差為0.21%。符合規(guī)范規(guī)定的關(guān)系定線(xiàn)精度指標(biāo)。因此以三點(diǎn)法所測(cè)流速趨于真值，與垂線(xiàn)、水面流速建立相關(guān)關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析。

二、流速關(guān)系分析

1.資料綜合分析

方案的初步探索，為了減少工作量，避免盲目性，對(duì)收集的26次資料，即流速儀三點(diǎn)法、水面一點(diǎn)法、0.6一點(diǎn)法資料套繪了流速橫向分布圖。根據(jù)流速橫向分布情況,可以看出流速橫向分布在高、中、低各級(jí)水位的分布形狀大致相似?？刹捎媒y(tǒng)籌一致的方案，即相關(guān)分析法。還發(fā)現(xiàn)右岸流速大于左岸，原因是上游約80m處有一彎道，改變水流方向，使水流層紊亂，左岸出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，影響流速使其偏小，造成整個(gè)斷面流速橫向分布反常。普遍情況為，6m~13m流速儀水面小于0.6一點(diǎn)法和三點(diǎn)法?？傮w來(lái)看，三點(diǎn)法所測(cè)流速橫向分布介于水面與0.6一點(diǎn)法之間。因此，以三點(diǎn)法所測(cè)資料為依據(jù)，分析流速系數(shù)。以上問(wèn)題也是由于斷面選擇有問(wèn)題。但目前由于條件限制，只能選用此橋斷面。

2.水面平均流速與斷面平均流速關(guān)系分析

水面流速系數(shù)分析的目的是為了簡(jiǎn)化測(cè)驗(yàn)，即只測(cè)三條垂線(xiàn)的水面流速，就可算出斷面平均流速，還能保證測(cè)驗(yàn)精度。因?yàn)槭窃囼?yàn)，所測(cè)資料布設(shè)垂線(xiàn)稠密，每次流量布設(shè)垂線(xiàn)均為1m一條垂線(xiàn)。但這樣工作量太大，根據(jù)測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，水面寬＜50m，應(yīng)布6條垂線(xiàn)（窄深河道）。因此，為了減少工作量和垂線(xiàn)數(shù)，尋找關(guān)系，用圖解法，從流速橫向分布圖上，用三點(diǎn)法斷面平均流速劃條橫線(xiàn)，與各條垂線(xiàn)相交對(duì)比后選用起點(diǎn)距8.0m、9.0m和10.0m三條較為接近斷面平均流速的垂線(xiàn)，再將這三條垂線(xiàn)（測(cè)點(diǎn)）平均，與三點(diǎn)法斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。其中斷面平均流速是三點(diǎn)法斷面平均流速，水面平均流速是8.0m、9.0m和10.0m三條垂線(xiàn)的平均流速，通過(guò)分析來(lái)達(dá)到只測(cè)三條垂線(xiàn)的水面流速，就可算出斷面平均流速的目的。

經(jīng)水文統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果為：

相關(guān)系數(shù)：r=0.9440

回歸方程為：y=0.7098x+0.2556

3.某垂線(xiàn)平均流速與斷面平均流速關(guān)系分析

根據(jù)水力學(xué)的紊流理論和流速分布理論可知，每條垂線(xiàn)上不同位置的流速大小不同。為了達(dá)到只測(cè)一條垂線(xiàn)的流速，就能代表斷面平均流速的目的，即簡(jiǎn)化了測(cè)驗(yàn)，還能保證測(cè)驗(yàn)精度。用所測(cè)三點(diǎn)法斷面平均流速(真值)與三點(diǎn)法所測(cè)各條垂線(xiàn)相關(guān)，選擇垂線(xiàn)。從流速橫向分布圖上，用斷面平均流速劃條橫線(xiàn)，為了減少工作量，用圖解法，結(jié)果為26次資料，與起點(diǎn)距9.0m和10.0m兩點(diǎn)各相交10次，與起點(diǎn)距9.5m相交6次。綜合考慮，因?yàn)榇藰驗(yàn)殇摻罨炷岭p管柱板梁公路橋，它有三個(gè)孔，第二個(gè)孔位于雙管柱中心，也是起點(diǎn)距9.0m，橋全長(zhǎng)為18.0m。故選擇斷面平均流速與垂線(xiàn)9.0m平均流速建立關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。

通過(guò)水文統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算結(jié)果為：

相關(guān)系數(shù)：r=0.9811

回歸方程為：y=0.891x+0.0563

4.某垂線(xiàn)水面流速與斷面平均流速關(guān)系分析

為了尋找更簡(jiǎn)化的測(cè)驗(yàn)方法，即只測(cè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)流速，就能代表斷面平均流速的目的，還能保證測(cè)驗(yàn)精度，選擇了三點(diǎn)法斷面平均流速資料作為真值與流速儀水面各垂線(xiàn)相關(guān)，選擇垂線(xiàn)。從流速橫向分布圖上，用斷面平均流速劃條橫線(xiàn)，結(jié)果為26次資料與起點(diǎn)距8.0m相交6次,與起點(diǎn)距9.0m和10.0m兩點(diǎn)分別相交9次和7次進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。其中8.0m的相關(guān)系數(shù)為0.93248，9.0m的相關(guān)系數(shù)為0.9031，10.0m的相關(guān)系數(shù)為0.7745。因?yàn)?.0m和9.0m的相關(guān)系數(shù)均大于0.9說(shuō)明相關(guān)關(guān)系都好，為了和三點(diǎn)法斷面平均流速與垂線(xiàn)（9.0m）平均流速關(guān)聯(lián)，故選擇用三點(diǎn)法斷面平均流速與垂線(xiàn)9.0m的水面流速建立關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。

通過(guò)水文統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算結(jié)果為：

相關(guān)系數(shù)：r=0.9390

回歸方程：y=1.19x-0.1914

以上三個(gè)相關(guān)關(guān)系在相關(guān)計(jì)算中，︳r︳＞0.8，說(shuō)明兩變量的相關(guān)程度密切，符合要求。合理性檢查中，標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度、系統(tǒng)誤差，均符合規(guī)范對(duì)一類(lèi)站的技術(shù)指標(biāo)要求。用所求關(guān)系與真值對(duì)比流速誤差，平均相對(duì)誤差、相對(duì)誤差均值小于3%，符合規(guī)范要求，結(jié)果是合理的，完全滿(mǎn)足測(cè)流精度。

三個(gè)試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)，只適應(yīng)水位級(jí)612.07m~-613.81m范圍，超過(guò)此水位級(jí)立即恢復(fù)正常測(cè)驗(yàn)。

三、存在的問(wèn)題

1）試驗(yàn)分析斷面（基上30m處）流速橫向分布不均。原因是上游約80m有一彎道，改變了水流的形態(tài)，使右岸至左岸流速處于遞減趨勢(shì)。

2）試驗(yàn)測(cè)橋起點(diǎn)距 6 m~7m與11m~12m處有直徑約0.5m圓形橋墩，水流受到橋墩的阻水影響。

3）資料系列較短，測(cè)次相對(duì)而言，還是有點(diǎn)偏少。受渠道正常引水量限制，低水測(cè)點(diǎn)偏少。

四、測(cè)驗(yàn)方案

1.水位測(cè)驗(yàn)方案

1）安裝電子水尺。電子水尺是遠(yuǎn)程水位采集裝置，具有測(cè)量精度高，測(cè)量誤差小，設(shè)備安裝靈活方便，非常適合野外安裝，可應(yīng)用于渠道上下游等處的水位自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)程傳輸，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可以?xún)A斜安裝（沿渠道斜面安裝），從而避免飄浮物對(duì)水流流態(tài)的影響。用電子水尺在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，在線(xiàn)顯示，遙測(cè)傳輸?shù)椒种行?。傳輸方式可采用無(wú)線(xiàn)也可采用有線(xiàn)傳輸。

2）按規(guī)范要求設(shè)立傾斜水尺人工對(duì)比觀測(cè)。

2.流量測(cè)驗(yàn)方案

1）在選好的斷面上建設(shè)架空測(cè)橋，橋測(cè)設(shè)備上應(yīng)有測(cè)流用的動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、記錄計(jì)算設(shè)備、測(cè)深儀器、鉛魚(yú)、流速儀、流速測(cè)算儀、無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備等，夜間測(cè)驗(yàn)應(yīng)配置照明設(shè)備。橋上安裝計(jì)算機(jī)測(cè)流控制系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)距、水深、流速自動(dòng)采集和記載的自動(dòng)化流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)。

2）測(cè)流方案，根據(jù)所裝設(shè)施設(shè)備及條件，可任選擇以下三種中的一種方法：

①水面平均流速與斷面平均流速關(guān)系分析。只測(cè)起點(diǎn)距8.0m、9.0m，10.0m三條代表垂線(xiàn)的水面流速，平均后，用所求關(guān)系求斷面平均流速。

②某垂線(xiàn)平均流速與斷面平均流速關(guān)系分析。只測(cè)起點(diǎn)距9.0m垂線(xiàn)平均流速，用所求關(guān)系求斷面平均流速。

③某垂線(xiàn)水面流速與斷面平均流速關(guān)系分析。只測(cè)起點(diǎn)距9.0m垂線(xiàn)的水面流速，用所求關(guān)系求斷面平均流速。

5 結(jié)論

通過(guò)本次試驗(yàn)分析可知，流速儀水面、某垂線(xiàn)平均流速與某測(cè)點(diǎn)流速和斷面平均流速呈線(xiàn)性關(guān)系。而且施測(cè)某幾條垂線(xiàn)的水面流速、某一垂線(xiàn)平均流速和某測(cè)點(diǎn)流速可推求全斷面平均流速，進(jìn)而計(jì)算出斷面流量。具有測(cè)驗(yàn)簡(jiǎn)單，精度較高，資料計(jì)算整理省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可以作為渠道測(cè)流的一種主要方法。對(duì)此法探討只是初步的，且是很淺的，所分析資料范圍較小，有待以后充實(shí)資料再繼續(xù)探討。也說(shuō)明渠道流量測(cè)驗(yàn)完全可以簡(jiǎn)化，只要選好順直渠道，建設(shè)架空測(cè)橋，消除橋墩對(duì)水流的影響，并通過(guò)建設(shè)先進(jìn)的水位和測(cè)速儀器設(shè)備，完全可以達(dá)到自動(dòng)化測(cè)流或?qū)崟r(shí)在線(xiàn)測(cè)流之目的，從而做好寶雞峽渠道科學(xué)調(diào)水、合理配水、安全輸水、計(jì)劃用水、節(jié)約用水、準(zhǔn)確量水的工作。陜西水利