華北某灌區(qū)取水計(jì)量設(shè)施參數(shù)率定研究

單志學(xué) 鐘金鳴

華北某水庫(kù)屬于涼溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，寒冷少雪，春季多風(fēng)，干燥少雨，夏季炎熱，雨量集中，常造成洪澇災(zāi)害，少數(shù)年份又產(chǎn)生伏旱，全年日照2900h，無霜期110～145d，年積溫2700℃～3500℃，年干旱指數(shù)介于1.6～1.7 之間，由11 月中旬開始封凍，至次年4 月上旬解凍，封凍期120～150d，土地凍結(jié)深度為1～1.5m。 灌區(qū)所在地年平均降雨量520mm，分布自北向南由450～550mm，年內(nèi)分布較不平衡，汛期6-9 月份，降水量占全年80%左右，而6-7 月份，局部易發(fā)生短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨，常發(fā)生洪水災(zāi)害，12 月至次年2 月降水僅占總量的15%，年際變化差異較大，年最大與最小雨量相差2～3 倍，多年平均水資源量為2.2 億m3。

灌區(qū)3 個(gè)典型分渠渠首遠(yuǎn)程在線計(jì)量監(jiān)控?cái)嗝娣謩e為：東風(fēng)號(hào)、東風(fēng)三號(hào)渠、后街渠進(jìn)行水位、流速和流量的人工監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析不同水位情況下，監(jiān)測(cè)斷面水面流速和斷面平均流速的關(guān)系，人工觀測(cè)水位與在線水位數(shù)值的偏差大小，人工監(jiān)測(cè)流量與在線計(jì)量流量之間的偏差。

1.灌區(qū)概況

灌區(qū)位于承德市北部山區(qū)，地處東經(jīng)117°03′～118°09′，北緯40°52′～42°52′之間，灌區(qū)涉及圍場(chǎng)、隆化、灤平、雙灤區(qū)三縣一區(qū)，轄11 個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）90個(gè)行政村和2 個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)、林場(chǎng)。灌區(qū)以某水庫(kù)為水源，伊遜河行洪河道為輸水總干渠。灌區(qū)屬于涼溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，寒冷少雪，春季多風(fēng)，干燥少雨，夏季炎熱，雨量集中，常造成洪澇災(zāi)害，少數(shù)年份又產(chǎn)生伏旱，全年日照2900h，無霜期110～145d，年積溫2700℃～3500℃，年干旱指數(shù)介于1.6～1.7 之間，由11 月中旬開始封凍，至次年4 月上旬解凍，封凍期120～150d，土地凍結(jié)深度為1～1.5m。

確定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為水庫(kù)灌區(qū)的3 個(gè)典型分渠渠首，均為明渠標(biāo)準(zhǔn)段固定測(cè)站。渠道計(jì)量模式為明渠標(biāo)準(zhǔn)段固定測(cè)站計(jì)量設(shè)施，設(shè)備名稱為高精度明渠雷達(dá)水位計(jì)、雙網(wǎng)段遠(yuǎn)程測(cè)控終端、高精度明渠雷達(dá)流速儀，設(shè)備型號(hào)為XHGY-6909、LMKJ-SW-V1.0、GPXLFSOC-03。

2.測(cè)量原理

通過監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)渠段某斷面處的有效水深和水面流速，由斷面平均流速和有效水深計(jì)算斷面過流水量，稱作明渠標(biāo)準(zhǔn)渠斷面流速法。

明渠標(biāo)準(zhǔn)斷面流速法：要求明渠標(biāo)準(zhǔn)段順直段長(zhǎng)度大于30m，渠段規(guī)整，采用混凝土或漿砌石襯砌，下游分水口或節(jié)制閘對(duì)斷面處的水流影響較小，水流平穩(wěn)，在渠段內(nèi)選擇一處標(biāo)準(zhǔn)斷面，采用測(cè)點(diǎn)斷面處的水深和表面流速，采用過流斷面處的水流平均流速和有效水深，計(jì)算渠段斷面的過流水量。渠道斷面過流水量的計(jì)算公式：

式中：

Q—斷面流量，m3/s；

k—流速系數(shù)，即表面流速與斷面平均流速之比，需要實(shí)際率定；

V表面—渠道斷面處的水流表面流速，m/s；

B上口、B下口—渠道斷面上口、下口寬度，m；

H有效—渠道斷面處的有效水深，m，即：水面高度減去基準(zhǔn)點(diǎn)高度。

因此，渠道斷面處的過流量：

明渠標(biāo)準(zhǔn)段量水采用斷面流量法，用水位和理論公式或水位—流量曲線，推算過流斷面的流量。

3.監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面勘查

對(duì)斷面經(jīng)緯度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面找到合適位置進(jìn)行設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量水面與自動(dòng)水位計(jì)探頭之間的高差，與水位計(jì)測(cè)的水位比較，計(jì)算水尺零點(diǎn)高程，并校核一次。采用水準(zhǔn)儀結(jié)合鋼尺對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的上邊，底邊，兩個(gè)斜邊的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，繪制斷面圖進(jìn)行編號(hào)，繪制水位面積關(guān)系曲線或推算水位面積公式?？紤]監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)際情況，在遠(yuǎn)傳水位計(jì)的監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置人工監(jiān)測(cè)水位斷面。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

將觀測(cè)設(shè)備垂直放置于明渠標(biāo)準(zhǔn)段水槽的底面，讀取水面截于觀測(cè)設(shè)備的讀數(shù)，每次觀讀不少于2 次，取其平均值與假定（絕對(duì)）基面高程的代數(shù)和作為觀測(cè)水位。此項(xiàng)目水位比測(cè)工作在明渠標(biāo)準(zhǔn)段固定測(cè)站輸水時(shí)的高、中、低水位級(jí)分別開展。

4.監(jiān)測(cè)結(jié)果及關(guān)系擬合

圖1 東風(fēng)號(hào)渠道斷面圖及水位-累計(jì)面積曲線圖

圖2 東風(fēng)號(hào)人工實(shí)測(cè)斷面流量與儀器自動(dòng)測(cè)流斷面流量相關(guān)關(guān)系

圖3 東風(fēng)三號(hào)人工實(shí)測(cè)斷面流量與儀器自動(dòng)測(cè)流斷面流量相關(guān)關(guān)系

4.1 斷面測(cè)量

渠道的大斷面主要是指垂直于水流方向的渠道橫斷面，所涉及渠道主要用于引水、灌溉等，根據(jù)水文測(cè)量相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行渠道斷面的測(cè)量，此文中主要為梯形斷面。

東風(fēng)號(hào)斷面位于張三營(yíng)鎮(zhèn)東風(fēng)村狗窩；東風(fēng)三號(hào)渠斷面位置，位于張三營(yíng)鎮(zhèn)東風(fēng)村5 組道口；后街渠，位于張三營(yíng)鎮(zhèn)后街村北關(guān)大地。

以自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)水位計(jì)所在斷面為測(cè)量斷面，對(duì)渠道斷面底部高程進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)繪制斷面圖、斷面水位面積累計(jì)曲線圖，見圖1 所示。

4.2 相關(guān)關(guān)系擬合

對(duì)人工實(shí)測(cè)流量與儀器自動(dòng)斷面流量建立相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過分析，兩者存在較高相關(guān)度。見圖2、圖3。

對(duì)人工實(shí)測(cè)流量與儀器自動(dòng)水位建立水位流量關(guān)系，采用二次多項(xiàng)式對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合的函數(shù)供參考。

4.3 結(jié)果分析

通過對(duì)渠首自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面水位進(jìn)行人工測(cè)量，并對(duì)人工測(cè)量水位與儀器自動(dòng)測(cè)量的水位精度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，儀器設(shè)備測(cè)量的水位十分精準(zhǔn)。采用流速儀人工涉水測(cè)流方式對(duì)高中低3 個(gè)水位級(jí)的渠道斷面流量進(jìn)行人工測(cè)量，并對(duì)人工實(shí)測(cè)流量與儀器自動(dòng)斷面流量進(jìn)行比較。結(jié)果表明，儀器設(shè)備測(cè)量的流量與人工測(cè)量流量相差比較大，低水水位，流量相差較大，中、高水位，流量相差較小。對(duì)人工實(shí)測(cè)流量與儀器自動(dòng)水位建立水位流量關(guān)系，采用二次多項(xiàng)式對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行擬合，東風(fēng)號(hào)、東風(fēng)三號(hào)、后街渠擬合的函數(shù)關(guān)系分別為：y=0.1683x2 + 1.426x -0.1213、y=- 27x2 + 42.81x - 16.459、y=0.0586x2+1.677x-0.6108 供參考。采用流速儀人工涉水測(cè)流方式對(duì)高中低3個(gè)水位級(jí)的渠道斷面流量進(jìn)行人工測(cè)量，并對(duì)人工實(shí)測(cè)斷面平均流速與儀器監(jiān)測(cè)水面流速比較。結(jié)果表明，儀器監(jiān)測(cè)水面流速與人工實(shí)測(cè)斷面平均流速相差比較大，低水水位，流速相差較大，中、高水位，流速相差較小。對(duì)人工實(shí)測(cè)斷面平均流速與儀器監(jiān)測(cè)水面流速建立相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過分析兩者存在較高相關(guān)度，東風(fēng)號(hào)、東風(fēng)三號(hào)、后街渠的R2值分別為：0.9225、0.9826、0.8152。人工實(shí)測(cè)斷面平均流速與儀器監(jiān)測(cè)水面流速關(guān)系是個(gè)直線函數(shù)，東風(fēng)號(hào)、東風(fēng)三號(hào)、后街渠的函數(shù)關(guān)系分別為：y=2.6937x-1.4875、y=1.8895x-0.6534、y=2.9273x-1.229。通過分析，雷達(dá)流速儀在低水時(shí)流速流量都偏大，其中流速偏大嚴(yán)重，并且雷達(dá)流速儀在渠道流速較小時(shí)精度比較低，通過人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)計(jì)量數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)于改進(jìn)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，提高引水口的取用水量的計(jì)量精度具有重要作用，有助于合理用水、科學(xué)計(jì)量工作的開展。