荊山水文站Argonaut—SL測流系統(tǒng)率定分析

李立蓉

摘 要：根據(jù)荊山水文站多年對(duì)Argonaut-SL測流系統(tǒng)進(jìn)行的率定分析和水位比測分析，對(duì)斷面平均流速關(guān)系的建立進(jìn)行了關(guān)系檢驗(yàn)和誤差分析，從而得出率定結(jié)論。

關(guān)鍵詞：荊山水文站；SL流量計(jì)；中央報(bào)汛站；洪水

中圖分類號(hào)：P343.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.014

1 荊山水文站的基本概況

1.1 測站概況

荊山水文站位于珠江流域漠陽江水系一級(jí)支流潭水河的中上游，所處地點(diǎn)為廣東省陽春市潭水鎮(zhèn)荊山村，地理位置為111°31′51″E，22°02′12″N，至河口42 km，集水面積為950 km2，屬于二類精度站、省重要水文站和中央報(bào)汛站，為漠陽江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用，以及水工程的建設(shè)管理而設(shè)立，系統(tǒng)地收集水文資料。測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降雨量、泥沙、蒸發(fā)和水質(zhì)。

潭水河洪水主要受鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨的影響，流域上游多高山，河道坡降大、洪水匯流時(shí)間短，平均匯流時(shí)間約6 h，洪水漲落急劇、峰高、量大。其下游河底坡度平緩，堤圍標(biāo)準(zhǔn)較低，導(dǎo)致局地洪澇災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。

建站以來，實(shí)測最高水位為25.34 m，相應(yīng)流量為2 600 m3/s，出現(xiàn)日期為2010-09-21；調(diào)查最高水位為26.10 m，相應(yīng)流量為3 140 m3/s，出現(xiàn)日期為1939-06-05.荊山站各級(jí)水位的劃分如表1所示，主要水文要素特征值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

1.2 測驗(yàn)斷面布設(shè)和水流情況

荊山站基本水尺斷面和流速儀測流斷面（基上34 m）所在河段順直，低水流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。水位測驗(yàn)設(shè)施為島岸結(jié)合式自記臺(tái)，設(shè)于基本水尺斷面左岸，采用日記式自記水位計(jì)和水位固態(tài)存儲(chǔ)儀。基本水尺為直立式水尺，安裝在自記臺(tái)井柱上。

荊山站水位流量的影響因素較多，水位流量關(guān)系比較復(fù)雜，該站近5年來年均測流在50次以上，采用臨時(shí)曲線法和水位后移法推流。荊山站測流大斷面如圖1所示。

2 SL流量計(jì)測驗(yàn)方法和依據(jù)

2.1 測流原理

當(dāng)聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)，SL流量計(jì)變高；在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，由變低的多普勒頻移原理測量水體流速。假定水體中顆粒物與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向?yàn)榻咏鼡Q能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率高；當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向?yàn)楸畴x換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率低，發(fā)射頻率與回波頻率存在差值，差值為：

fd=2fδ（v/c）. （1）

式（1）中：fd為升學(xué)多普勒頻移，kHz；fδ為回波頻率，kHz；v為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度，m/s；c為聲波在水中的傳播速度，m/s。

2.2 SL流量計(jì)在荊山站安裝斷面情況

選取流速儀測流斷面1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2012年汛前實(shí)測大斷面成果進(jìn)行比較，如圖2所示，可明顯看出河床下切趨勢，1990—2010年下切幅度較大，近年來，由于水務(wù)部門嚴(yán)格規(guī)范河道采砂等人工河道作業(yè)，河床下切趨勢得到緩解，目前基本趨于穩(wěn)定。

2.3 軟件參數(shù)設(shè)置

根據(jù)測站斷面情況和河道水文特性，經(jīng)過不斷調(diào)試，對(duì)SL流量計(jì)系統(tǒng)軟件的主要參數(shù)設(shè)置如下：指標(biāo)流速的采樣單元為5～30 m；采樣歷時(shí)100 s；采樣間隔為900 s；增加多流層剖面模式中，盲區(qū)為5 m，流層10個(gè)，每個(gè)流層為3.5 m。

3 測定分析

3.1 水位比測分析

本次選取參數(shù)設(shè)置合理、儀器使用正常、水位變幅較大和流量測量較為集中的2012-04水位資料進(jìn)行了比測，水位變幅為17.00～21.77 m，水位分布合理。將15 min水位記錄資料與召測水位進(jìn)行比較，去除237個(gè)無效水位數(shù)據(jù)外，共有數(shù)據(jù)2 644組。各水位級(jí)下各誤差范圍內(nèi)的合格率如圖3所示。

圖3 各水位級(jí)下各誤差范圍內(nèi)的合格率

由圖3可看出，SL流量計(jì)在17.00～19.00 m水位的采集精度比較高；水位超過19.00 m后，SL流量計(jì)水位采集誤差隨水位升高而增大，且采集水位比召測水位高。個(gè)別時(shí)段會(huì)出現(xiàn)2～10 cm的誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因有以下3點(diǎn)：①召測水位裝有靜水裝置，而SL流量計(jì)沒有安裝靜水裝置，導(dǎo)致所測水位受到水面波動(dòng)的影響較大；②如果水位越高，SL流量計(jì)的采集誤差越大，則說明SL流量計(jì)水位監(jiān)測探頭安裝并沒有完全豎直；③河道內(nèi)漂浮物對(duì)儀器的干擾、水情漲落變化較快等因素也會(huì)造成一定的誤差。

3.2 指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系的建立

由于SL流量計(jì)位于流速儀測流斷面下游59 m處，兩斷面形狀基本一致，可采用流速儀測流斷面作為計(jì)算斷面，斷面面積為根據(jù)實(shí)測大斷面查算的斷面面積。根據(jù)荊山站2012-03-04實(shí)測的大斷面資料，水位與SL指標(biāo)的流速關(guān)系如圖4所示。查算面積的水位以測驗(yàn)時(shí)段的召測水位為準(zhǔn)。

4 結(jié)論

從本次成果看，SL流量計(jì)無疑是一種先進(jìn)的技術(shù)含量高的

測流設(shè)備，具有安裝簡便、日常運(yùn)行成本低、快捷、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，且抗外界干擾能力強(qiáng)、對(duì)不同水流具有較好的適應(yīng)性。

鑒于本次SL流量計(jì)比測率定成果，以及關(guān)系曲線適度外延的原則，申報(bào)荊山水文站水位在18.00～22.00 m范圍內(nèi)可應(yīng)用SL流量計(jì)進(jìn)行測驗(yàn)，并按照率定的關(guān)系線進(jìn)行資料整編。

荊山水文站水位受洪水漲落的影響，加之高水位時(shí)還會(huì)受到下游支流匯入頂托的影響，導(dǎo)致洪水漲落較快、測驗(yàn)時(shí)機(jī)難以把握、水位流量關(guān)系復(fù)雜、流量測驗(yàn)難度和整編難度大。SL流量計(jì)投入應(yīng)用后，可解決流量測驗(yàn)的難題，較大程度地解放生產(chǎn)力，從而為防災(zāi)減災(zāi)、水文行業(yè)的發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

圖4 水位與SL指標(biāo)流速關(guān)系圖

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〔編輯：張思楠〕