ADCP二線能坡法測流在沂沭泗梁濟運河（后營）自動監(jiān)測站中的應用

李 素 王秀慶 姚欣明

（1.淮河水利委員會沂沭泗水利管理局 徐州 221000 2.沂沭泗水利管理局水文局（信息中心）徐州 221000）

國家水資源監(jiān)控能力建設二期項目沂沭泗局實施部分（2016—2018年），完成了21 處流量在線監(jiān)測站建設，其中在梁濟運河（后營）站等9 處采用二線能坡法測流，在東魚河口等12 處采用雷達波法測流。為驗證測站自動測流精度，提高國家水資源監(jiān)控能力建設項目中所設站點流量在線監(jiān)測工作的可靠性，選擇已經(jīng)建成的梁濟運河（后營）測站進行數(shù)據(jù)比測分析，梁濟運河（后營）測站采用的是ADCP 二線能坡法測流，通過2016年監(jiān)測站點建設完成后的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與水文資料、實測資料的對比分析，找出相同時段流量數(shù)據(jù)的差別和關系，并詳細分析數(shù)據(jù)差別的原因，依據(jù)水文資料、實測資料對流量自動監(jiān)測站點的系統(tǒng)參數(shù)進行科學調整，以便提高測站的自動測流精度。

1 ADCP 二線能坡法原理

二線能坡法是通過兩條實測垂線流速獲取垂線流速模型參數(shù)，把常規(guī)流量測驗施測多條垂線流速變?yōu)橛嬎愣鄺l垂線流速，通過流速—面積法計算斷面流量。該法測流以曼寧公式為基礎，借助水力學實驗方法，從矩形、三角形斷面入手，尋求垂線流速與斷面平均流速的關系，建立與曼寧公式具有相同結構形式的垂線流速公式。改天然河道中綜合糙率為分解糙率，并以2 條實測垂線流速為已知條件反求能坡（水流能量坡度）參數(shù)，代替曼寧公式中比降與糙率的比值關系，從而使成果精度顯著提高，并借助等效流量原理，解決多種非恒定、非均勻流條件下流量測量問題。

曼寧公式如下：

式中：V—斷面平均流速；

k—轉換常數(shù)，國際單位制中值為1；

n—曼寧系數(shù)，是綜合反映管渠壁面粗糙情況對水流影響的一個系數(shù)。其值一般由實驗數(shù)據(jù)測得，使用時可查表選用；

Rh—水力半徑，是流體截面積與濕周長的比值，濕周長指流體與明渠斷面接觸的周長，不包括與空氣接觸的周長部分；

S—明渠的坡度。

2 梁濟運河（后營）自動監(jiān)測站

梁濟運河（后營）測站是國家水資源監(jiān)管能力建設二期項目中的組成部分，建設位于后營水文站自計水位井附近。南四湖是南水北調東線工程輸水通道，梁濟運河是南水北調東線工程調水出南四湖上級湖的輸水通道，該測站能夠很好地應用于對南水北調東線一期工程調水水量的監(jiān)測。

梁濟運河（后營）測站的自動流量監(jiān)測系統(tǒng)選用的是Flowscout2000 型聲學多普勒流速流量剖面儀（ADCP），它是用于河流和明渠流速、流量實時監(jiān)測的聲學多普勒儀，是美國Link Quest 公司應用當今最先進信號處理技術研發(fā)的多點、多層面流速分析儀。Flowscout2000 不僅具有運行可靠度高，性能穩(wěn)定的特點，而且監(jiān)測單元可多至86 個，遠遠高于同類產(chǎn)品的監(jiān)測單元數(shù)。其最大特點是可任意按需要安裝在被測河流或渠道側面、底部或頂部，按現(xiàn)場情況任意設置向上、向下發(fā)射或向左、向右發(fā)射角度，從而準確測量出從水底到水面不同深層，從左到右不同距離上，上百個流速點數(shù)據(jù)，并能實時繪出現(xiàn)場河流及供水渠道中流態(tài)分布圖，大大簡化了水利傳統(tǒng)測流方法，并在準確性、穩(wěn)定性，實時性上有了質的飛躍。本文中測站設計安裝于河道底部，由河底向水面發(fā)射聲波進行測量，可測得由河底至水面每隔0.25m 一個單元的單元流速。

3 自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工實測數(shù)據(jù)對比

3.1 比測斷面布設

梁濟運河（后營）測站比測斷面為后營水文站基本水尺斷面兼流速儀測流斷面，與二線能坡法監(jiān)測斷面距離僅為20m，可保證比測精度。比測斷面實測大斷面見圖1。

圖1 梁濟運河（后營測站）比測斷面實測大斷面圖

3.2 流量成果對比分析

根據(jù)河道監(jiān)測實施建設情況，收集建站年2016年以來后營水文站所處斷面流量測驗資料。根據(jù)2018年8月19—27日實測資料、收集到的測驗資料與監(jiān)測資料，繪制比測分析流量過程線、同水位下流量過程對照圖、實測流量與二線能坡法測流線性分析圖，并計算各站資料偏差及相對偏差。

由圖2、圖3 和表1 中數(shù)據(jù)可以看出，梁濟運河（后營）站二線能坡法數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，曲線擬合性較好，其中32 組數(shù)據(jù)中有24 組偏大、8 組偏小，平均偏差為偏大9.8%，最大偏差為偏大39.5%，最小偏差為0%。當后營站流量小于100m3/s 時，二線能坡法數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相比呈不規(guī)則波動，有時偏大，有時偏小；當后營站流量大于100m3/s 小于200m3/s 時，二線能坡法數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合較好；當后營站流量超過200m3/s 時，二線能坡法數(shù)據(jù)明顯偏大。

圖2 梁濟運河（后營）站流量數(shù)據(jù)比測過程線圖

圖3 后營站同水位下流量過程對照圖

表1 后營站流量數(shù)據(jù)偏差對比表（單位：m3/s）

由圖4 中實測流量與二線能坡法監(jiān)測流量數(shù)據(jù)的線性分析可以看出，R2值為0.9683，說明實測數(shù)據(jù)與二線能坡法監(jiān)測數(shù)據(jù)之間相關性強，測流結果精確度相對較高。

圖4 后營站實測流量與二線能坡法監(jiān)測流量流線性分析圖

3.3 偏差成因分析

3.3.1 測驗時長不一致導致誤差

后營自動監(jiān)測站流量測驗過程相鄰的流量點據(jù)有一定的上下波動幅度，監(jiān)測過程為5min 一個流量點據(jù)，而在流量測驗過程中實測一個點據(jù)通常需要30min 以上，測驗所需時間不對等導致流量存在誤差。

3.3.2 受大斷面變化影響較大

根據(jù)圖1 后營站實測大斷面圖，當后營站水位超過35.50m，由于河灘變化引起大斷面存在突變情況，導致河道過水斷面有非線性變化。同時根據(jù)圖3 分析自動監(jiān)測站流量對應上述水位不同流量級下的流量變化情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)存在明顯的偏離加劇現(xiàn)象，可以得出：當大斷面突變時，自動監(jiān)測設備流量測驗的可靠性將會有一定程度的下降。

3.3.3 初始參數(shù)設置不合理

根據(jù)二線能坡法基礎原理，結合實測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)比較分析，二線能坡法測流，當水位較低流量較小時，實測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)一致性較好，當水位較高流量較大時，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯偏大，因此監(jiān)測設備設置中存在初始糙率偏小，分塊糙率值偏小的情況。

4 結論

通過比測分析可知，梁濟運河（后營）站ADCP 二線能坡法監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工實測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，曲線擬合性較好，且R2值為0.9683，二者之間相關性較強。雖然當水位較高流量較大時，數(shù)據(jù)偏差較大，這也主要是由于大斷面突變或者初始參數(shù)設置不合理導致的，可根據(jù)比測來調整測站系統(tǒng)參數(shù)，以提高后營站自動監(jiān)測流量數(shù)據(jù)的精度，為沂沭泗直管區(qū)水資源管理工作以及南水北調東線一期工程調水監(jiān)管工作提供技術支撐