ADCP二线能坡法测流在沂沭泗梁济运河（后营）自动监测站中的应用

李 素 王秀庆 姚欣明

（1.淮河水利委员会沂沭泗水利管理局 徐州 221000 2.沂沭泗水利管理局水文局（信息中心）徐州 221000）

国家水资源监控能力建设二期项目沂沭泗局实施部分（2016—2018年），完成了21 处流量在线监测站建设，其中在梁济运河（后营）站等9 处采用二线能坡法测流，在东鱼河口等12 处采用雷达波法测流。为验证测站自动测流精度，提高国家水资源监控能力建设项目中所设站点流量在线监测工作的可靠性，选择已经建成的梁济运河（后营）测站进行数据比测分析，梁济运河（后营）测站采用的是ADCP 二线能坡法测流，通过2016年监测站点建设完成后的自动监测数据与水文资料、实测资料的对比分析，找出相同时段流量数据的差别和关系，并详细分析数据差别的原因，依据水文资料、实测资料对流量自动监测站点的系统参数进行科学调整，以便提高测站的自动测流精度。

1 ADCP 二线能坡法原理

二线能坡法是通过两条实测垂线流速获取垂线流速模型参数，把常规流量测验施测多条垂线流速变为计算多条垂线流速，通过流速—面积法计算断面流量。该法测流以曼宁公式为基础，借助水力学实验方法，从矩形、三角形断面入手，寻求垂线流速与断面平均流速的关系，建立与曼宁公式具有相同结构形式的垂线流速公式。改天然河道中综合糙率为分解糙率，并以2 条实测垂线流速为已知条件反求能坡（水流能量坡度）参数，代替曼宁公式中比降与糙率的比值关系，从而使成果精度显著提高，并借助等效流量原理，解决多种非恒定、非均匀流条件下流量测量问题。

曼宁公式如下：

式中：V—断面平均流速；

k—转换常数，国际单位制中值为1；

n—曼宁系数，是综合反映管渠壁面粗糙情况对水流影响的一个系数。其值一般由实验数据测得，使用时可查表选用；

Rh—水力半径，是流体截面积与湿周长的比值，湿周长指流体与明渠断面接触的周长，不包括与空气接触的周长部分；

S—明渠的坡度。

2 梁济运河（后营）自动监测站

梁济运河（后营）测站是国家水资源监管能力建设二期项目中的组成部分，建设位于后营水文站自计水位井附近。南四湖是南水北调东线工程输水通道，梁济运河是南水北调东线工程调水出南四湖上级湖的输水通道，该测站能够很好地应用于对南水北调东线一期工程调水水量的监测。

梁济运河（后营）测站的自动流量监测系统选用的是Flowscout2000 型声学多普勒流速流量剖面仪（ADCP），它是用于河流和明渠流速、流量实时监测的声学多普勒仪，是美国Link Quest 公司应用当今最先进信号处理技术研发的多点、多层面流速分析仪。Flowscout2000 不仅具有运行可靠度高，性能稳定的特点，而且监测单元可多至86 个，远远高于同类产品的监测单元数。其最大特点是可任意按需要安装在被测河流或渠道侧面、底部或顶部，按现场情况任意设置向上、向下发射或向左、向右发射角度，从而准确测量出从水底到水面不同深层，从左到右不同距离上，上百个流速点数据，并能实时绘出现场河流及供水渠道中流态分布图，大大简化了水利传统测流方法，并在准确性、稳定性，实时性上有了质的飞跃。本文中测站设计安装于河道底部，由河底向水面发射声波进行测量，可测得由河底至水面每隔0.25m 一个单元的单元流速。

3 自动监测数据和人工实测数据对比

3.1 比测断面布设

梁济运河（后营）测站比测断面为后营水文站基本水尺断面兼流速仪测流断面，与二线能坡法监测断面距离仅为20m，可保证比测精度。比测断面实测大断面见图1。

图1 梁济运河（后营测站）比测断面实测大断面图

3.2 流量成果对比分析

根据河道监测实施建设情况，收集建站年2016年以来后营水文站所处断面流量测验资料。根据2018年8月19—27日实测资料、收集到的测验资料与监测资料，绘制比测分析流量过程线、同水位下流量过程对照图、实测流量与二线能坡法测流线性分析图，并计算各站资料偏差及相对偏差。

由图2、图3 和表1 中数据可以看出，梁济运河（后营）站二线能坡法数据与实测数据变化趋势基本一致，曲线拟合性较好，其中32 组数据中有24 组偏大、8 组偏小，平均偏差为偏大9.8%，最大偏差为偏大39.5%，最小偏差为0%。当后营站流量小于100m3/s 时，二线能坡法数据与实测数据相比呈不规则波动，有时偏大，有时偏小；当后营站流量大于100m3/s 小于200m3/s 时，二线能坡法数据与实测数据吻合较好；当后营站流量超过200m3/s 时，二线能坡法数据明显偏大。

图2 梁济运河（后营）站流量数据比测过程线图

图3 后营站同水位下流量过程对照图

表1 后营站流量数据偏差对比表（单位：m3/s）

由图4 中实测流量与二线能坡法监测流量数据的线性分析可以看出，R2值为0.9683，说明实测数据与二线能坡法监测数据之间相关性强，测流结果精确度相对较高。

图4 后营站实测流量与二线能坡法监测流量流线性分析图

3.3 偏差成因分析

3.3.1 测验时长不一致导致误差

后营自动监测站流量测验过程相邻的流量点据有一定的上下波动幅度，监测过程为5min 一个流量点据，而在流量测验过程中实测一个点据通常需要30min 以上，测验所需时间不对等导致流量存在误差。

3.3.2 受大断面变化影响较大

根据图1 后营站实测大断面图，当后营站水位超过35.50m，由于河滩变化引起大断面存在突变情况，导致河道过水断面有非线性变化。同时根据图3 分析自动监测站流量对应上述水位不同流量级下的流量变化情况，监测数据与实测数据存在明显的偏离加剧现象，可以得出：当大断面突变时，自动监测设备流量测验的可靠性将会有一定程度的下降。

3.3.3 初始参数设置不合理

根据二线能坡法基础原理，结合实测数据与监测数据比较分析，二线能坡法测流，当水位较低流量较小时，实测数据与监测数据一致性较好，当水位较高流量较大时，自动监测数据明显偏大，因此监测设备设置中存在初始糙率偏小，分块糙率值偏小的情况。

4 结论

通过比测分析可知，梁济运河（后营）站ADCP 二线能坡法监测数据与人工实测数据变化趋势基本一致，曲线拟合性较好，且R2值为0.9683，二者之间相关性较强。虽然当水位较高流量较大时，数据偏差较大，这也主要是由于大断面突变或者初始参数设置不合理导致的，可根据比测来调整测站系统参数，以提高后营站自动监测流量数据的精度，为沂沭泗直管区水资源管理工作以及南水北调东线一期工程调水监管工作提供技术支撑