南水北调中线明渠流量测验分析

李圣山，黄韶波，唐 明

（黄委河南水文水资源局，河南 郑州450004）

1 断面布设

断面选在南水北调中线京石段北拒马节制闸前150 m 处，断面宽约35 m，深约5.0 m，两岸光滑，河底比降较小，流速较小，水泥硬底河床，用转子式流速仪进行流量测验时，按照相应规范[1]要求使用5 点法施测，流量精度要求较高，渡河工具无法使用测船，需要布设过河缆道进行施测。

断面布设基本以渠护坡边线作为后视方向，用全站仪作出其垂直于后视方向的测线，即断面线，渠道在其线上的垂直面就是所选定的测验断面，在断面两侧埋设断面桩或制作标记作为断面的控制点，引测高程实测过水断面。

缆道布设包括主缆、副缆、循环索、起重索、钢支架、地锚、水文绞车、铅鱼、信号传输设备、计数器等部分组成。它是实现流速仪施测流量的基础设施，依据建造水文测验设施经验和技术，在测验断面建成了流速仪过河的小铅鱼测验缆道。

2 测验的误差控制

2.1 水位观测资料的误差控制

水位的变化主要决定于水体自身水量的变化、约束水体条件的改变、以及水体受干扰的影响等三方面因素。约束水体的条件很稳定，因此，怎样排除水体受干扰的影响，是确保本项目水位观测精度的关键所在。该项目观测的水位误差来源主要是受闸口出流紊动水流和风力产生的波浪引起的观测误差，为消除该项误差，除严格按照水位观测标准[2]进行观测外，采用加长观测时间，并观读多次浪顶、浪谷的读数，以其均值为水尺观测读数，由此计算水位，有效的减少了由于水面波浪造成的误差，使每一观测断面的水位观测精度控制在0.5 cm 以内。

由于南水北调渠道河底比降很小，水流平缓，因此为了更精确的观测水文数据，设立了比降断面，进行比降观测。

2.2 流量测验的误差控制

流速仪流量测验依据河流流量测验规范和实际水文测验经验及技术，选用缆道方式和方法进行流量测验，有效地减少了测验设施对测验的影响。并且根据断面状况，在主流区加密垂线布设，保证测点测速历时，及时套绘流速断面分布图，对照检查测线流速，确保单次流量测验质量。

1）起点距定位控制。鉴于测验断面宽度较小，流速小，配置铅鱼重量轻的实际状况，在过河缆架设时，将主缆调整至最小垂度，使缆道运行的改变量达到最小，以保证实测起点距与安装的起点距计数器读值的完全吻合，减小缆道垂度的影响。在实际测验中，利用测验断面规则的特征，采用固定垂线法，坚持开始和终了校测固定点起点距的方法，达到有效控制测速垂线的具体位置。不定时使用全站仪校核起点距，确保起点距的误差在规范规定之内。

2）水深测量控制。在测验时利用垂线偏角测量仪观测悬索垂线偏角，按照规范规定改正测验水深。同时利用实测水深与实测过水断面水深进行对比、校定，使水深测量误差控制在1%之内。

3）流速垂线测点定位控制。测点流速完成后应及时将计数器复零，且每次进行测点测验时应主动检查，减少可能出现的错误。 并且观读铅鱼悬索上标识刻度，校定计数器所测读的水深，使值误差控制在0.01 m 以内。

4）计时装置控制。使用新型研制的LXD-3 型流速测算仪来保证高流速时的流速信号正常，保证计时误差（仅为3‰）满足计时秒表（3/600）的误差要求。配备机械秒表（读记至0.1 s），使用前进行校检，控制误差在允许范围。

3 流量分析

3.1 流速仪施测流量分析

共施测流量35 次，水位—流量关系见图1。从图上可以看出，所测数据点比较分散，数据点成阶段性分部，流量大于11 m3/s 的点和流量在10～11 m3/s 之间的点是在两个时期内施测。水位-流量关系和测点时间分部有关系，下游闸门对流量大小有不同的阻水作用，说明此段河道水流态式受外界影响较敏感，构不成稳定的水位-流量关系。

图1 北拒马水位—流量关系线

3.2 比降推估流量分析

比降推估流量公式采用谢才公式来计算。北拒马河段谢才公式推流表见表1。

在明渠恒定均匀流以及明渠恒定缓变流中，常用谢才公式来计算流量。

式中：Q——流量；ω——过水断面积；c——谢才系数；R——水力半径；J——水力梯度。

曼宁公式做为一种计算谢才系数的经验公式，被广泛应用。

表1 北拒马谢才公式推流表

式中：n——糙率；c——谢才系数；R——水力半径。

表1可以看出，这个河段这段时间用谢才公式推出的流量与实测流量差值较大，其结果不能使用。也说明了此段河道河底比降太小，水面比降受外界因素影响太大，闸门的阻水作用造成对比降观测有较大影响，这就导致了用谢才公式推出的流量与实测相比出入较大。

3.3 横断面流速等值线分部与垂线平均流速分部

北拒马流量测验大小基本上是7～14 m3/s 之间，选择一个代表性流速等值线图来说明横断面流速等值线分部情况（见图2），相应垂线平均流速分部图（见图3）。

图2 流量7.67 m3/s 时横断面流速等值线分布图

图3 流量7.67 m3/s 时横断面垂线平均流速分布图

从上图可以看出，横断面中间流速大，两侧流速小，符合明渠流速分部特点。

从上面垂线平均流速分布图可以看出，垂线平均流速分部中间大、两侧小的趋势不明显。由于这段河道水深较深、流速较小，造成明渠水流态势不明显。

4 结 论

通过分析南水北调中线明渠流量测验可知：

1）渠道河底比降小，流速慢，测验精度要求较高。

2）闸门对不同流量级别的水流有不同程度的阻水影响，致使该河段内的水位流量关系不稳定。

3）用转子式流速仪进行测验时，需重视单次流量测验质量，在流量测验的各个环节上进行控制。