利用多普勒流速仪进行明渠流量在线监测分析

2014-11-24孙芬花

水科学与工程技术 2014年5期

孙芬花

（河北省石家庄水文水资源勘测局,石家庄050051）

1 概述

在南水北调中线工程全线贯通之前，为了应急缓解北京市的供水缺口，河北省从2008年开始通过南水北调中线京石段总干渠，分阶段向北京供水。黄壁庄水库出库水量经石津渠进入南水北调中线总干渠，供水线路长18km。石津渠在入中线总干渠渠口前设有测验断面，以便准确测量供北京的水量。现有的测验设备采用水文缆道，用流速仪多线多点法（即精测法）施测，每测一次流量需要1h以上，费时费力并且无法进行流量在线监测。故找出一种既能满足流量测验精度要求，又能缩短测验历时，并能实时上传流量监测数据的方法尤为重要。

2 断面概况

石津渠入干前测验断面位于石津渠与南水北调中线总干渠分水交叉口前150m，分水口后设立石津渠入干后测验断面，两者的监测结果用于计算黄壁庄水库出库水量中给北京和石津灌区供水的分摊比例。两个测验断面均为2008年新设断面，断面为梯形，断面宽41.0m，深5.5m，河床稳定没有冲淤。由于测验断面上下游均有电站，入南水北调总干渠渠口也有闸门控制，受其影响，水位没有代表性，水位流量关系不稳定。

3 现有测流方案

为了保证测验精度，根据规范要求，采用流速仪精测法测流［1］。全断面共选取9条测速垂线，起点距分别为5.0，9.0，13.0，17.0，21.0，25.0，29.0，33.0，37.0m，每条垂线用三点法施测（相对水深0.2，0.6，0.8）。

4 精简分析

为了更全面地掌握断面流速分布特征，探求各垂线平均流速与断面平均流速的关系，现用2008～2009年流速仪精测法实测的流量资料进行分析，分中低水（水位在98.10m及以下流量测次）和高水（水位在98.10m以上流量测次）两种情况，以断面上每条测速垂线的垂线平均流速分别与断面平均流速建立相关关系，找出流速单断关系较好的测速垂线位置［2］。

由于关系线较多，只列出高水流量测次起点距为13.0m的垂线平均流速（V13.0）与断面平均流速（VD）的关系，如图1所示。

图1 V13.0～VD单断关系

其他测速垂线的流速单断关系及各关系线的随机不确定度如表1，关系图略。通过分析可知，无论是高水还是中低水，起点距为13.0m的垂线平均流速与断面平均流速的关系（V13.0～VD关系）最好，关系点对关系线的随机不确定度小于等于8%，符合一类精度水文站的定线精度指标［3］。

定线分析时，受流速脉动影响，个别垂线流速紊乱，关系点偏离关系线太多，故舍去。

表1 各垂线平均流速与断面平均流速关系

再用起点距为13.0m的实测垂线平均流速和V13.0～VD关系式，进行流量精简分析。根据规范规定，精简后算得的流量与精测法实测的流量相比，其误差限界必须达到“流量相对误差不超过±5%，累积频率达到75%以上”或“流量相对误差不超过±10%，累积频率达到95%以上”［4］。

在分析的196份流量测次中，高水分析测次51次，其流量相对误差不超过±5%的有36次，其累积频率为70.6%，不符合要求；流量相对误差不超过±10%的有51次，其累积频率为100%，符合要求。中低水分析测次145次，流量相对误差不超过±5%的有117次，其累积频率为80.7%，符合要求；流量相对误差不超过±10%的有145次，其累积频率为100%，符合要求。对其他测速垂线进行了精简分析，但误差都达不到要求。

通过以上计算分析可知，石津渠入干前断面精测法测速垂线，无论中低水还是高水，起点距为13.0m的测速垂线，其垂线平均流速与断面平均流速的相关关系最好，符合水文规范的要求，所以起点距为13.0m的测速垂线比其他8条测速垂线的代表性好。

5 浅水式多普勒流速仪应用

浅水座底式多普勒流速仪淘金者—SW型（仪器如图2所示），是美国Son Tek/YSI公司生产的实时流速测验设备，用于实时监测流速、水位和流量，能够很容易地安装在明渠或者管道的底部。淘金者—SW型多普勒流速仪有三个声学波束，其中使用成一定角度的两个声学波束来测量剖面的流速，第三个垂直声学波束监测水位，并能根据水位变化自动调整测量范围（测流原理如图3所示）。淘金者—SW型多普勒流速仪适用于浅水，要求河道或渠道的水深在0.2～5.0m之间，流速范围±5m/s［5］。