南水北调东线工程宜陵北闸流量测验分析

李江艳 王 成 王 江

（江苏省江都水利工程管理处 扬州 225200）

1 引言

南水北调工程是著名的跨流域调水工程，是我国水资源优化配置，解决华北、北方地区缺水的一项战略性基础设施工程。南水北调东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分，一期江苏境内工程共设9个梯级泵站，调水线路总长约800km，调水总量500m3/s。正常情况下由三江营引水，经夹江、芒稻河输水至江都西闸进入新通扬运河，经江都站抽水入里运河北送，另经江都东闸送水到宜陵，自宜陵向北由三阳河、潼河向宝应站送水。在长江低潮位时，利用高港泵站由泰州引江河向三阳河补水，以满足调水需求。

在工程运行过程中，准确地掌握河道水位、流量变化情况，为工程进一步完善和正式通水提供基础数据、优化水量调度方案，是必须解决的问题之一。宜陵北闸是南水北调输水干线三阳河上输水控制工程之一，对其进行流量测验也是南水北调水量监测中重要的一环。

2 流量测验方法分析对比

流量测验是水文工作的主要任务之一，在水文测验中占有非常重要的位置。目前国内外采用的流量测验方法和手段很多，如流速面积法、水力学法、直接法等，应用最广泛、最普遍的方法是流速面积法。其中流速仪法被认为是精度较高的方法，目前普遍以此方法作为检验其他方测验精度的依据。

2.1 流速仪法

河流横断面上的流速分布是不均匀的，随水平及垂直方向的位置不同而变化，即它是水深和水面宽的函数。测流时，假定将断面流量垂直切割成许多平行的小块，每一块成为一个部分流量，在各个测速垂线上测深、测速、并测定起点距，即可计算出部分流量，所有部分流量累加，即得到全断面的流量。

2.2 走航式ADCP法

走航式声学多普勒流速剖面仪法（即ADCP法）是利用声学多普勒原理来测量水流速度，其流量测量原理和流速仪法测流原理是一样的，都属于流速面积法。由于振源与观察者之间的相对运动而产生的接收信号相对于振源频率的频移现象被称为多普勒效应，测出此频移就能测出物体的运动速度。ADCP就是通过测量得到声学多普勒频移从而得到相应测点的流速。

2.3 流量测验方法的对比分析

2.3.1相同点

流速仪法和走航式ADCP法同属于流速面积法，其流量测验的基本原理一样，都是以多条测速垂线将测流断面划分为若干个子断面，在每条测速垂线处测量水深并测量多点的流速，计算垂线平均流速，结合水深、水面宽等数据，分别计算每个子断面的流量，累积得到断面总流量。

2.3.2不同点

（1）流速测量。流速仪法测速时，仪器必须置于水体某一预定点测量且仪器必须控制一定的测速历时以减少流速脉动引起的误差，属于静态方法。ADCP测速时仪器可以在运动状态下同时测量多个不同位置的流速且仪器在短时间内收集大量数据，通过大量数据的平均值减少流速脉动引起的误差，属于动态方法。

（2）流量计算。流速仪法以测速垂线划分子断面，测量垂线测点流速计算垂线平均流速，再计算子断面的流量。ADCP划分的子断面的数量远比流速仪的多，且在每个子断面划分很多的水流层，通过累加不同水流层的流量得到子断面的流量。

（3）测流方案的选择。流速仪法测流前，需严格按照规范要求制定测量方案，并根据水位变化情况选择测流时机。ADCP法则相对简单，仅需根据断面的情况、测验要求等设置ADCP的有关参数即可实施测量，且不受水位变化情况的影响。

（4）断面布设。流速仪测流断面应严格按照规范要求布设，ADCP的测量断面可以是设定好的，也可以是随机选定的。

（5）安装和悬挂设备。流速仪法需要根据安装方式选择使用的悬索、缆道、绞车等所需要的设施。ADCP通常安装在船舷一侧或者穿透船体的井中，也可安装在专用的遥测船上。

（6）操作人员要求。流速仪法操作简单，使用者容易掌握，易于上手。ADCP及其软件相对比较复杂，使用者需经过正式的ADCP流量测量技术培训方可操作。

通过上述的对比分析可知，流速仪法自动化程度低，测流历时长，已越来越不能满足水文测验现代化、水文信息化的要求，而ADCP法自动化程度高，测流快，体现了水文测验现代化水平，已有越来越多的测站选择走航式ADCP作为测验仪器。

3 监测方案

水文测验应严格按照规范的要求进行，以保证测验的精度。此次监测方案的制定、测验的实施严格按照规范的要求进行。

3.1 工程概况

宜陵北闸（简称宜北闸）位于江都区宜陵镇北三阳河与新通扬运河交汇处的三阳河上，于1974年11月开工兴建，1975年9月竣工并投入运行。宜陵北闸共7孔，每孔净宽6.0m，闸底板高程-5.00m，设计流量300m3/s。由于年久失修，宜陵北闸已不能满足东线输水的要求，2013年9月开工进行加固改造，2015年7月竣工验收。改造后的宜陵北闸测验河段顺直，长2km，最大河宽110m，河段为人工开挖，两岸块石护坡，河床稳定，土质为粘壤土，受人类活动影响较小。

3.2 断面布设

宜陵北闸由于没有水文观测设施，因此必须布设水位、流量监测断面，进而进行流量测验。断面布设应遵循以下原则：（1）能控制区段内的水位、流量变化，监测到全部水量，无漏测、重测；（2）尽量选择在水流条件较好的断面，避开水流异常紊动的影响；（3）断面两岸应平坦、无障碍物，地形条件便于仪器设备安装调试；（4）有利于水量与水质结合分析。根据上述原则，结合因此将水位断面布设在闸下300m，流速仪测流断面布设在闸下200m。

3.3 监测方案

水文观测设备可供选择的有搪瓷水尺、浮子水位计、雷达水位计、超声波水位计等，目前普遍采用的水文观测设备有直立式搪瓷水尺、日记型自记水位计和遥测水位计，后两者同属浮子式水位计，也是此次水位监测采用的水位计。

根据前文的介绍及对比分析可知，流速仪作为流量测验的常规仪器设备，其优势自不必说，走航式ADCP作为新设备，目前在我国各大流域应用广泛，大量的比测资料验证了其精度的可靠性，故可选这两种方法进行此次流量测验，但流速仪法测验所需的人员多，历时长，工作强度大，而ADCP测验人员少，测流快，工作强度低，考虑到宜陵北闸地处偏远，交通不便，因此选择ADCP作为第一测流方案，流速仪法作为备用方案。

3.4 测验精度的控制措施

图1 宜陵北闸水位流量过程线图

影响走航式ADCP测量精度的因素很多，为将每测回流量值与均值的误差控制在±5%以内，采取的措施包括采用含30个脉冲的数据组的平均值；选取合适的幂函数流速剖面公式来外推盲区的流速、流量；在测量过程中严格控制船速；采用木船测量；测流断面沿钢丝绳运行，以保证船行轨迹的稳定等。

4 监测成果分析

按照制定的测验方案，宜陵北闸进行了48次流量测验，单次流量测验误差最大为4.1%，最小为0，均值为0.4%，测量精度完全符合声学多普勒流量测验规范要求。

监测宜陵北闸流量、水位，可以分析三潼宝线水位变化过程，为南水北调东线工程调度提供依据。以试通水期间三潼宝沿线送水分析为例进行说明。

图1为宜陵北闸实测水位流量过程线图，由图可见，在试通水期间，受长江潮位影响，其下游水位变幅为1.09～1.61m，流量变幅为－31.0～158m3/s。出现小流量、负流量的日期为江都东闸关闭，停止引水。在正式通水期间，其流量均在100m3/s以上。

图2 试通水期间三潼宝线水位过程线图

图2为试通水期间三潼宝线水位过程线图。由图可见，除5月26～28日这3天外，三潼宝线沿程水位是宜陵北闸高于三垛，三垛高于宝应站下。沿程水位大比降出现在上段。

5 结语

合适的测验方法、先进的测验仪器是获得高精度的流量数据、保证测验安全的重要手段。流量测验方法、手段多种多样，应根据河流水情变化的特点，采用经济、有效、精度较高的方法进行流量测验。本文在研究流量测验原理的基础上，分析各流量测验方法的优缺点，制定合理的水量监测方案，测得了准确的流量数据，为工程调度运行、水量控制等提供了依据。

流量测验是水文工作的重中之重，研究流量测验方法、采用先进的测验技术、制定合理的监测方案是水文工作的重心。本文对各种流量测验方法及原理进行了详实全面的分析，具有较好的参考价值。但是影响ADCP测流的因素很多，而由于测流次数少，资料不足，无法进行走航式ADCP测流结果的误差分析，今后必须加强测验，从而进行误差分析