一種輸水渠道淤積量的快速測量方法

宗理華，張　林，崔慶福（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟南250014）

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一種輸水渠道淤積量的快速測量方法

宗理華，張林，崔慶福
（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟南250014）

【摘要】利用ADCP探測水深的功能和基于渠道斷面的走航測量方式，本文提出一種快速測量渠道淤積量的方法，推導(dǎo)了淤積量計算公式，并在濟平干渠進行了現(xiàn)場試驗。理論和試驗表明，利用ADCP來測量渠道淤積量是可行的，并具有精度高和效率高的特點，值得在清淤工程中推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】南水北調(diào)；輸水渠道；淤積；ADCP

南水北調(diào)工程為實現(xiàn)渠道輸水流量的快速測量配置了ADCP，利用ADCP探測水深的功能和基于渠道斷面的走航測量方式，本文提出了一種快速測量渠道淤積量的方法，較傳統(tǒng)的測繩法大幅提高了測量效率和測量精度。

1　 ADCP測量渠道淤積量原理

ADCP全稱聲學(xué)多普勒流速剖面儀，因能夠?qū)崿F(xiàn)走航式快速測量，近年來廣泛用于河流、海洋的流量、潮流測量。當用于明渠測流時，ADCP安裝在微型測量船上，通過繩索拉動測量船橫移通過渠道斷面，ADCP向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，聲波碰到水中的懸浮顆粒物（泥沙顆粒等）發(fā)生散射，因懸浮顆粒物與測量船之間存在相對速度，回波會產(chǎn)生頻移，ADCP接受和處理回波信號，利用多普勒頻移原理進行分析，測得懸浮顆粒物的矢量流速。ADCP根據(jù)自身的坐標系統(tǒng)，將橫移軌跡斷面劃分成若干網(wǎng)格區(qū)域，根據(jù)懸浮顆粒物流速可計算其所處網(wǎng)格區(qū)域的平均流速，通過斷面積分就得到了渠道斷面流量。

ADCP測流的一個附帶成果就是能夠測得水深，及流速為零的橫移軌跡斷面的水下邊界形狀。如果控制橫移軌跡斷面為渠道過流斷面，與已知的渠道設(shè)計尺寸相對比，則可得到過流斷面淤積厚度分布，通過計算可得過流斷面的淤積面積。沿渠段多測得幾個斷面，即可擬合得到渠段內(nèi)的淤積面積分布，從而可以積分得到渠段的淤積量。

2　斷面淤積面積的計算方法

2.1測量坐標系

山東南水北調(diào)工程使用的是美國RDI公司的瑞江系列ADCP，配置WinRiver軟件，可直接輸出各測點的水深hi和橫移長度li。設(shè)測量過程中的坐標系為x＇-o＇-y＇，即以ADCP橫移起點為坐標原點，以ADCP橫移方向和水深方向為x＇、y＇坐標，則各測點的坐標為：

2.2渠道設(shè)計斷面型線

渠坡的上部一般不會淤積，所以對左、右渠坡的上半段的測量數(shù)據(jù)L1～Ln和R1～Rn按照設(shè)計邊坡系數(shù)a1和a2進行線性擬合，即可得到左、右邊坡型線的方程式：

再根據(jù)水位和設(shè)計渠道設(shè)計高程得到水深H，將0和H分別作為y＇坐標帶入式（2）中，即可確定出左、右渠坡與渠底和水面線的交點C1、C2、C3、C4的坐標，連接以上四點即得到水下渠道設(shè)計斷面的型線，如圖1所示。

圖1　渠道設(shè)計斷面型線

2.3坐標變換

設(shè)立笛卡爾坐標系x-o-y，以C2為坐標原點，按式（3）對前述計算結(jié)果進行坐標變換。

將式（3）代入式（2）中，整理可得到新坐標系下的左、右側(cè)渠坡的方程式為：

其中b=H-b2+a2/a1（b1-H）

2.4淤積曲線特征點

按x坐標排列測量點，對于左渠坡型線，取偏差超過2倍平均擬合偏差且位于型線右側(cè)的第一個測量點為淤積始點P1。對于右渠坡型線，取偏差超過2倍平均擬合偏差且位于型線左側(cè)的第一個點為淤積終點P4。以C2、C3點對應(yīng)的x坐標點為P2、P3點，如圖2所示。

圖2　斷面淤積面積

2.5斷面淤積面積

對P1～P2、P2～P3、P3～P4之間的測點分段擬合為曲線Yp1p2、Yp2p3、Yp3p4，擬合曲線與渠道設(shè)計斷面型線之間的面積即為淤積面積A，可以按式（5）分段積分計算。

3　淤積量測量試驗

采用前述方法，對山東南水北調(diào)濟平干渠樁號30+712～31+135之間的渠段進行了測量試驗。試驗時控制ADCP橫移軌跡斷面接近渠道過流斷面，并在試驗后選用一個非淤積點，采用測繩人工測量水深，與ADCP測量結(jié)果和設(shè)計推算結(jié)果進行比對。人工測量水深為2.72 m，ADCP測量為2.73 m，設(shè)計推算為2.71 m，可見三者非常接近，ADCP測量結(jié)果是可信的。

圖3為樁號30+992斷面的測量結(jié)果顯示，該斷面位于彎道，右側(cè)為凸岸，左側(cè)為凹岸。測量結(jié)果顯示渠道凹岸側(cè)淤積較小，最小淤積厚度僅2 cm，而凸岸側(cè)淤積較大，最大淤積厚度45 cm。

圖3　樁號30+992斷面淤積情況測量結(jié)果

圖4為渠段內(nèi)測量的14個斷面的淤積面積的計算結(jié)果，將14個離散點擬合成曲線，曲線下所覆蓋的圖形面積即為淤積量，積分計算得到淤積量為1 053.5 m3。

圖4　渠段內(nèi)14個斷面的淤積面積測量結(jié)果

4　結(jié)語

1）利用ADCP超聲波精確測量水深的功能來測量輸水渠道的淤積量在理論方面是可行的，在實踐方面可操作的，并具有較高的測量精度。

2）利用ADCP基于渠道斷面的走航測量方式，能夠快速地實現(xiàn)整個渠段的測量，較傳統(tǒng)的測繩法大幅提高了效率。

注：2014年山東省省級水利科研及技術(shù)推廣項目（編號：SDSLKY201505）。

（責(zé)任編輯崔春梅）

【中圖分類號】TV146

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-03-0050-02

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：宗理華（1973—），女，工程師