南水北调工程江苏段流量在线监测技术选择

王 军

(南水北调东线江苏水源公司宿迁分公司，江苏 宿迁 223800)

南水北调东线工程江苏段主要是利用现有河道供水来调水，具有防洪、排涝、航运、供水等综合功能，河道特点是断面宽且不规则、水深浅、流速低，对船舶航运等影响大，对流量在线监测的测量精度、可靠性和维护、使用方便性等方面要求较高[1]。用科学的方法优选流量在线监测技术显得尤为重要，本文通过建立选择流量在线监测技术的指标体系，用模糊分析法选择最优的流量在线监测方法。

1 南水北调东线工程江苏段在线流量监测断面概况

南水北调东线工程江苏段分为2条线路：运河线和运西线。运河线自江都抽水站起源，一路沿京杭运河向北延伸，至邳州市西北部向西沿不牢河有一分支路线，即刘山—解台—蔺家坝线；运西线沿金宝航道入洪泽湖，再沿徐洪河北上，入骆马湖。江苏—山东省界调水主要通过韩庄运河，由台儿庄泵站抽引骆马湖水入南四湖，实现调水出省的意图[2]。

为了掌握南水北调东线工程江苏段流量变化，为供水调度提供决策依据，分别设置了2处在线流量监测控制断面：骆马湖控制断面和金宝航道控制断面。

1.1 骆马湖控制断面

骆马湖断面位于韩庄运河，是江苏—山东省界重要的计量断面。该断面于2000年曾经进行过断面整治，两岸为浆砌块石护坡，河道形状规则，测流条件良好，可保证较高的测流精度和可靠性。该断面最高通航水位26.98 m，最低通航水位20 m，供水最高水位21.33 m。河宽近80 m，设计流量为150 m3/s，流速约为0.4 m/s。最低水深3.6 m，最高供水水位水深约5～6 m，水位变化不是很大，属于浅宽型航道。

1.2 金宝航道控制断面

金宝航道贯穿了扬州市宝应县和淮安市金湖县，全长28.40 km(裁弯取直整治前全长30.88 km)。该河道沟通了里运河与洪泽湖，串联了金湖站和洪泽站，承转江都站、宝应站抽引的江水，是运西线输水的起始河段，也是南水北调东线工程的重要组成部分，具有输水、航运、排涝、行洪综合功能。

金宝航道控制断面位于扬州、淮安市界，大汕子西侧河段，两岸为浆砌块石护坡，河道规整，测流条件良好。该断面最高通航水位7.6 m，最低通航水位5.8 m。在最低通航水位5.8 m时水深为3.6 m，河宽近100 m，流速约为0.5 m/s，设计输水流量150 m3/s。

2 南水北调江苏段流量在线监测技术的选择

2.1 流量在线监测技术指标体系选择

目前进行流量监测的方式有以下7种：缆道自动测流、声学多普勒流速(又分为H-ADCP和走航式ADCP)、超声波时差法测流、水工建筑物(涵闸)推算流量、水位比降法推算流量、雷达水表面波流速测量再推算流量[3]。根据流量监测各类方法的特点，从南水北调工程东线江苏段流量在线自动监测的目的出发，结合影响测流技术选择的因素，对指标的选取和确定进行分析，使评价指标符合目标的特征和需求。通过筛选建立南水北调工程江苏段流量在线监测技术选择指标体系。目标层中有1个指标，准则层中有4个指标，指标层中有11个指标，形成了金字塔式的指标体系，见表1。

表1 南水北调工程江苏段流量在线监测技术选择指标体系

2.2 指标权重的确定

2.2.1 构建准则层的判断矩阵及其权重向量

比较准则层指标的两两相对重要程度，建立判断矩阵见表2。

表2 准则层判断矩阵

通过计算得出判断矩阵B的权重向量为：

V=(0.4725,0.2273,0.2273,0.0729)；其他参数为：λmax=4.0030，CI=0.001，RI=0.89，CR=0.0011。由于CR小于0.1，故判断矩阵的一致性是可以接受的。

2.2.2 构建指标层的判断矩阵及其权重向量

(1)比较各适用性指标的两两相对重要程度，建立判断矩阵见表3。

表3 适用性指标判断矩阵

通过计算得出判断矩阵B1的权重向量为：W1=(0.5,0.5)；其他参数为：λmax=2，CI=0.000，CR=0.000。由于CR小于0.1，故判断矩阵B1的一致性是可以接受的。

(3)比较各实时性指标的两两相对重要程度，建立判断矩阵见表4。

表4 实时性指标判断矩阵

通过计算得出判断矩阵B2的权重向量为：W2=(0.5396,0.1634,0.2970)；其他参数为：λmax=3.009，CI=0.0046，RI=0.52，CR=0.0088。由于CR小于0.1，故判断矩阵B2的一致性是可以接受的。

(3)比较各可靠性指标的两两相对重要程度，建立判断矩阵见表5。

表5 可靠性指标判断矩阵

通过计算得出判断矩阵B3的权重向量为：W3=(0.5584,0.3196,0.1220)；其他参数为：λmax=3.0183，CI=0.0091，RI=0.52，CR=0.0176。由于CR小于0.1，故判断矩阵B3的一致性是可以接受的。

(4)比较各经济性指标的两两相对重要程度，建立判断矩阵见表6。

表6 经济性指标判断矩阵

通过计算得出判断矩阵B4的权重向量为：W4=(0.3254,0.2483,0.4263)；其他参数为：λmax=3.0183，CI=0.0091，RI=0.52，CR=0.0176。由于CR小于0.1，故判断矩阵B4的一致性是可以接受的。

2.2.3 指标层权重向量的确定

根据准则层相对目标层权重V、指标层相对准则层权重W1、W2、W3、W4，可以计算得出指标层各项指标相对于目标层的权重，如表7所示。

表7 南水北调工程江苏段流量在线监测技术选择指标权重

2.3 控制断面测流方法的选择

2.3.1 骆马湖控制断面测流方法选择

不同测流方法在骆马湖控制断面各指标的平均分值见表8。

表8 各种测流方法在骆马湖控制断面各指标的平均得分

将上述各种测流法各评价指标分值代入相应的隶属函数，得到各评价指标对各级标准的隶属度，综合各评价指标权重及其在各评判集上的隶属度，可得各测流方法的综合评判矩阵，即通过计算求得各测流方法的隶属度见表9。

表9 骆马湖控制断面各种测流法模糊综合评价矩阵

按最大隶属原则，由表9可知，水工建筑物测流法的评价为“差”等级，缆道自动测流法、比降测流法、雷达水表面波流速测量再推算流量法的评价为“一般”等级，超声波时差测流法、水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)、走航式声学多普勒流速测流法的评价为“较好”等级。3种方法中，水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)在“好”等级的分值为0.2543最高，在“较好”等级的分值为0.6913，也是最高，故骆马湖控制断面选用水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)进行测流。

骆马湖控制断面位于山东、江苏两省交界处，支流交汇多，船舶通航量较大，环境较为复杂，设备安全隐患较多，而且河道右岸为乡村小路，设备安装施工条件较差。

H-ADCP设备仅需在河道左岸设置即可满足要求，安全性较高，不影响船舶通航，适应性较好。而且H-ADCP一般采用支架的形式安装在河道岸边，对施工条件要求较低，施工量相对也较小。所以，H-ADCP的特点与骆马湖控制断面的特点相吻合，可满足此断面的流量测验需求，同时H-ADCP设备造价低、精度较高，满足测流要求。因此，骆马湖控制断面选用水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)是合理的。

2.3.2 金宝航道控制断面测流方法选择

根据打分情况得到金宝航道控制断面的各指标平均得分见表10。

表10 各种测流方法在金宝航道控制断面各指标的平均得分

将上述各种测流法评价指标分值代入相应的隶属函数，得到各评价指标对各级标准的隶属度，综合各评价指标权重及其在各评判集上的隶属度，可得各测流方法的综合评判矩阵，即通过计算求得各测流方法的隶属度见表11。

按最大隶属原则，从表11可知，水工建筑物测流法的评价为“差”等级，比降测流法、雷达水表面波流速测量再推算流量法的评价为“一般”等级，缆道自动测流法、水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)、走航式声学多普勒流速测流法的评价为“较好”等级，超声波时差测流法的评价为“好”等级，故金宝航道控制断面选用超声波时差测流法进行测流。

表11 金宝航道控制断面各种测流法模糊综合评价矩阵

金宝航道断面位于宝应湖下游，水流流速较小，流量测验的相对误差可能会较大。另外，由于此地区的水流流速均不大，周围水系的含沙量较小，且断面位于南水北调大汕子枢纽附近，河道也较为顺直，周围环境的安全性相对较好。

超声波时差法测流精度高，在宽浅河道的低流速状态下仍能保持较高精度[5]。另外，金宝航道控制断面位于大汕子河口闸管处位置，设备安装位置安全性高，具备同时在两岸设置测流装置的条件。因此，金宝航道控制断面选用超声波时差测流法是合理的。

基于各种在线流量监测技术的指标对照情况，计算出各指标对于优选测流技术的目标的权重向量为

W=(0.2362,0.2362,0.1227,0.0371,0.0675,0.1269,0.0727,0.0277,0.0237,0.0181,0.0311)。

再分别针对骆马湖控制断面和金宝航道控制断面进行模糊综合评价计算。结果表明，骆马湖控制断面的最优测流方法是水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)，金宝航道控制断面的最优测流方法是超声波时差法。

通过分析计算确定了骆马湖控制断面的H-ADCP和金宝航道断面的超声波时差法的平均流速，均可作为断面的指标流速。在优选自动测流方法运行一段时间后，随着南水北调两步制水价政策逐步深入落实，对南水北调流量在线监测需求将增大，测点将会逐步增多，对测流的准确性、实时性等要求也将更高，对测流方法的有效性和可靠性选择的研究将会进一步深入。

3 结 论

受自然环境和地形、工程调度、船舶航运等方面的影响，现有的自动监测设备未能充分发挥作用。因此，针对南水北调东线工程的运行情况，分析对比各类流量测验方法，依据不同条件，选择最优的测流方式以实现流量在线监测。

(1)通过分析南水北调工程江苏段测流存在的问题，总结出影响在线测流技术选择的因素主要有通航船舶、水文特性、实时性、测量精度、经济性和安全性。

(2)建立了准则层包含实时性、可靠性、经济性、实用性的指标体系，并经过指标分析和筛选，完善了指标体系，指标层包含通航船舶适应、水文特性适应、采集速度、传输速度等11个指标，同时确定了本文采用模糊分析方法进行测流技术优选。

(3)确定了各指标相对于目标层的权向量为：W=(0.2362,0.2362,0.1227,0.0371,0.0675,0.1269,0.0727,0.0277,0.0237,0.0181,0.0311)，并分别对骆马湖控制断面和金宝航道控制断面进行模糊分析计算。结果表明，骆马湖控制断面的最优测流方法是水平声学多普勒流速测流法(H-ADCP)，金宝航道控制断面的最优测流方法是超声波时差法。