观澜桥流量在线监测与人工监测对比分析

刘思若，李君宇，蒋国民

1 人工监测方法

1.1 断面情况

1）观澜桥测流断面选定在趵突泉泉池北部出口，河段顺直、稳定，断面形状规则，沿程变化均匀。2）河段内无暗礁、深潭、跌水等阻碍正常水流。河段内水流集中，无分流、岔流、回流、死水等情况。3）水流流向基本与桥轴线垂直，桥体跨度较小，河道内无桥墩阻碍水流。

1.2 流速仪选择

根据该测流断面历史监测数据，最小流速接近于0，最大流速小于0.1m/s，故选用测量范围为0.01～0.5m/s的LB－50型低速旋杯流速仪。

1.3 测流方法选择

观澜桥测流断面选用流速面积法进行监测，按断面流速分布规律，在断面布置若干测深、测速垂线，以控制过水断面面积和断面流速变化；在测深垂线上测量深度，在测速垂线上测量流速，通过相邻垂线平均流速计算对应面积的平均流速，相邻垂线间的面积乘以对应面积的平均流速获得该面积部分的流量，累加各面积部分的流量即为断面流量。观澜桥测流断面宽6.0m，分别在距起点为1.5m、3.0m、4.5m处设置测深测速垂线，一般情况下采用在相对水深0.2、0.8处施测的两点法测流，在流速超出测量范围时采用水面流速法测流。

1.4 测流频率

一般情况下每周监测一次，在趵突泉地下水位急剧下降或者水位较低时加密测量。

2 SONTEK-IQ实时流量在线监测法

在泉水流量监测过程中，由于测流断面流速小，经常出现接近甚至低于流速仪最低测速范围的情况，传统的流量监测设备已经无法满足监测精度要求，济南市水文局引进了SONTEK－IQ实时流量在线监测系统。与传统的流量测验仪器相比，具有实时在线分析、高分辨率、高精度等优点。SONTEK－IQ产品由美国YSI公司出品，可根据用户自定义的计算方法进行流量测验。4个测速波束可获得垂直和水平的流速剖面，以确保覆盖整个流速范围。内置的压力传感器和垂直波束用于测定水位。只需在SONTEK－IQ软件中简单的输入渠道几何数据，即可在几分钟内获得流量数据。该系统适用于水文部门对中小河流、输水明渠、城市排水河道等水文参数的监测。

2.1 断面情况

该断面布设在观澜桥监测断面下游15m处，河段顺直、稳定，断面形状规则，沿程变化均匀。河段内无暗礁、深潭、跌水等阻碍正常水流。河段内水流集中，无分流、岔流、回流、死水等情况。

2.2 流速仪概况

SONTEK－IQ系统安装于河道测流断面底部，采用多普勒频移的物理原理进行测量流速，测量沿着水流方向的流速和使用斜向的波束测量水平方向的流速，水位可以由垂直波束和内置集成的压力传感器来确定。该系统使用4个换能器发射的波束来测量流速，2个沿着轴线方向的波束和2个斜向的波束。1）沿着轴线方向的波束与垂直方向的轴线成25°的夹角。2）斜向的波束与垂直方向的轴线成60°的夹角，与明渠中心（水平）轴线的夹角也是60°。

2.3 测流方法

SONTEk－IQ系统实时测量水流的速度和水位，加上由用户提供的测流断面的几何尺寸，可以计算得到流量和水量。SONTEK－IQ系统支持不同环境和条件的流量计算。流量计算采用基于SONTEK－IQ系统实测的垂直流速剖面部分的流量理论计算方法，指标流速率定采用以下公式计算：

V=V1+V2×（V3+sh）

V为断面平均流速，m/s；V1为由用户提供的流速偏差（截距），m/s；V2为 IQ 实测的流速，m/s；V3为由用户提供的流速比例因子（无单位）；s为由用户提供的水深系数，1/s；h为实测的水位（总水深），m。

2.4 测量频率

该系统设置为每20min接收一次断面水文数据。

3 数据对比分析

济南市水文局采集了2017年6月以来的21组实测流量值与相应的实时监测值进行对比分析，见表1。建立两者相关关系，点绘实测数据与SONTEK－IQ遥测数据相关图见图1～图2。两者基本呈正相关关系，相关系数为0.912，相关性较好。比测误差尤其是在低流量下大多小于5%，但仍有误差超过20%的情况。

根据观澜桥断面实际情况分析，造成误差的主要原因有以下几方面：1）低流速下旋杯式流速仪的精度误差；2）SONTEK－IQ系统水位、水深测量误差；3）流速脉动引起的垂线流速测量误差；4）借用断面面积与断面实际面积之间的误差；5）SONTEK－IQ系统参数设置与实际情况的误差。

表1 流量数据及误差

图1 流量对比图

图2 数据相关图

4 结语

通过对趵突泉观澜桥断面SONTEK－IQ监测与人工实测流量资料的对比分析，建立两者的相关关系，其测验误差基本符合规范要求。尤其是在低流速流量下，SONTEK－IQ实时在线流量监测的可靠性和方便程度超过人工。对于出现的比测超差情况应继续进行观测查明原因，提高自动检测系统在各种流量情况下的可靠性。SONTEKIQ实时在线流量监测系统比人工监测稳定性更高，对断面流量变化过程的可监测性对于节水保泉、水资源利用分析以及未来的泉水预测预报有较高的数据利用价值。