一种输水渠道淤积量的快速测量方法

2016-06-17宗理华崔庆福南水北调东线山东干线有限责任公司山东济南250014

山东水利 2016年3期

宗理华，张　林，崔庆福（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250014）

一种输水渠道淤积量的快速测量方法

宗理华，张林，崔庆福
（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250014）

【摘要】利用ADCP探测水深的功能和基于渠道断面的走航测量方式，本文提出一种快速测量渠道淤积量的方法，推导了淤积量计算公式，并在济平干渠进行了现场试验。理论和试验表明，利用ADCP来测量渠道淤积量是可行的，并具有精度高和效率高的特点，值得在清淤工程中推广应用。

【关键词】南水北调；输水渠道；淤积；ADCP

南水北调工程为实现渠道输水流量的快速测量配置了ADCP，利用ADCP探测水深的功能和基于渠道断面的走航测量方式，本文提出了一种快速测量渠道淤积量的方法，较传统的测绳法大幅提高了测量效率和测量精度。

1　 ADCP测量渠道淤积量原理

ADCP全称声学多普勒流速剖面仪，因能够实现走航式快速测量，近年来广泛用于河流、海洋的流量、潮流测量。当用于明渠测流时，ADCP安装在微型测量船上，通过绳索拉动测量船横移通过渠道断面，ADCP向水中发射固定频率的声波短脉冲，声波碰到水中的悬浮颗粒物（泥沙颗粒等）发生散射，因悬浮颗粒物与测量船之间存在相对速度，回波会产生频移，ADCP接受和处理回波信号，利用多普勒频移原理进行分析，测得悬浮颗粒物的矢量流速。ADCP根据自身的坐标系统，将横移轨迹断面划分成若干网格区域，根据悬浮颗粒物流速可计算其所处网格区域的平均流速，通过断面积分就得到了渠道断面流量。

ADCP测流的一个附带成果就是能够测得水深，及流速为零的横移轨迹断面的水下边界形状。如果控制横移轨迹断面为渠道过流断面，与已知的渠道设计尺寸相对比，则可得到过流断面淤积厚度分布，通过计算可得过流断面的淤积面积。沿渠段多测得几个断面，即可拟合得到渠段内的淤积面积分布，从而可以积分得到渠段的淤积量。

2　断面淤积面积的计算方法

2.1测量坐标系

山东南水北调工程使用的是美国RDI公司的瑞江系列ADCP，配置WinRiver软件，可直接输出各测点的水深hi和横移长度li。设测量过程中的坐标系为x＇-o＇-y＇，即以ADCP横移起点为坐标原点，以ADCP横移方向和水深方向为x＇、y＇坐标，则各测点的坐标为：

2.2渠道设计断面型线

渠坡的上部一般不会淤积，所以对左、右渠坡的上半段的测量数据L1～Ln和R1～Rn按照设计边坡系数a1和a2进行线性拟合，即可得到左、右边坡型线的方程式：

再根据水位和设计渠道设计高程得到水深H，将0和H分别作为y＇坐标带入式（2）中，即可确定出左、右渠坡与渠底和水面线的交点C1、C2、C3、C4的坐标，连接以上四点即得到水下渠道设计断面的型线，如图1所示。

图1　渠道设计断面型线

2.3坐标变换

设立笛卡尔坐标系x-o-y，以C2为坐标原点，按式（3）对前述计算结果进行坐标变换。

将式（3）代入式（2）中，整理可得到新坐标系下的左、右侧渠坡的方程式为：

其中b=H-b2+a2/a1（b1-H）

2.4淤积曲线特征点

按x坐标排列测量点，对于左渠坡型线，取偏差超过2倍平均拟合偏差且位于型线右侧的第一个测量点为淤积始点P1。对于右渠坡型线，取偏差超过2倍平均拟合偏差且位于型线左侧的第一个点为淤积终点P4。以C2、C3点对应的x坐标点为P2、P3点，如图2所示。

图2　断面淤积面积

2.5断面淤积面积

对P1～P2、P2～P3、P3～P4之间的测点分段拟合为曲线Yp1p2、Yp2p3、Yp3p4，拟合曲线与渠道设计断面型线之间的面积即为淤积面积A，可以按式（5）分段积分计算。

3　淤积量测量试验

采用前述方法，对山东南水北调济平干渠桩号30+712～31+135之间的渠段进行了测量试验。试验时控制ADCP横移轨迹断面接近渠道过流断面，并在试验后选用一个非淤积点，采用测绳人工测量水深，与ADCP测量结果和设计推算结果进行比对。人工测量水深为2.72 m，ADCP测量为2.73 m，设计推算为2.71 m，可见三者非常接近，ADCP测量结果是可信的。

图3为桩号30+992断面的测量结果显示，该断面位于弯道，右侧为凸岸，左侧为凹岸。测量结果显示渠道凹岸侧淤积较小，最小淤积厚度仅2 cm，而凸岸侧淤积较大，最大淤积厚度45 cm。