庙宫灌区取水计量设备参数率定的研究

单志学

(河北省承德水文勘测研究中心，河北 承德 067000)

0 前言

庙宫水库属于凉温带半湿润半干旱大陆性季风气候，冬季漫长，寒冷少雪，春季多风，干燥少雨，夏季炎热，雨量集中，常造成洪涝灾害，少数年份又产生伏旱，全年日照2 900 h，无霜期110～145 d，年积温2 700℃～3 500℃，年干旱指数介于1.6～1.7之间，由11月中旬开始封冻，至次年4月上旬解冻，封冻期120～150 d，土地冻结深度为1～1.5 m。灌区所在地年平均降雨量520 mm，分布自北向南由450～550 mm，年内分布较不平衡，汛期6-9月份，降水量占全年80%左右，而6-7月份，局部易发生短历时高强度暴雨，常发生洪水灾害，12月至次年2月降水仅占总量的15%，年际变化差异也较大，年最大与最小雨量相差2～3倍，多年平均水资源量为2.2亿 m3。

庙宫灌区3个典型分渠渠首远程在线计量监控断面分别为：河南营渠、东大坝、唐北二号进行水位、流速和流量的人工监测。在监测结果的基础上，分析不同水位情况下，监测断面水面流速和断面平均流速的关系，人工观测水位与在线水位数值的偏差大小，人工监测流量与在线计量流量之间的偏差[1-3]。

1 灌区概况

庙宫灌区位于承德市北部山区，地处东经117°03′～118°09′，北纬40°52′～42°52′之间，灌区涉及围场、隆化、滦平、双滦区三县一区，辖11个乡(镇)90个行政村和2个国营农、林场。灌区以庙宫水库为水源，伊逊河行洪河道为输水总干渠。庙宫灌区属于凉温带半湿润半干旱大陆性季风气候，冬季漫长，寒冷少雪，春季多风，干燥少雨，夏季炎热，雨量集中，常造成洪涝灾害，少数年份又产生伏旱，全年日照2 900 h，无霜期110～145 d，年积温2 700℃～3 500℃，年干旱指数介于1.6～1.7之间，由11月中旬开始封冻，至次年4月上旬解冻，封冻期120～150 d，土地冻结深度为1～1.5 m。其地理位置如图1。

图1 承德市地理位置图

本文确定的监测点为庙宫水库灌区的3个典型分渠渠首，均为明渠标准段固定测站。

2 测量原理

通过监测标准渠段某断面处的有效水深和水面流速，由断面平均流速和有效水深计算断面过流水量，称作明渠标准渠断面流速法。

明渠标准断面流速法：要求明渠标准段顺直段长度大于30 m，渠段规整，采用混凝土或浆砌石衬砌，下游分水口或节制闸对断面处的水流影响较小，水流平稳，在渠段内选择一处标准断面，采用测点断面处的水深和表面流速，采用过流断面处的水流平均流速和有效水深，计算渠段断面的过流水量。渠道断面过流水量的计算公式：

(1)

式中，Q为断面流量，m3/s；k为流速系数，即表面流速与断面平均流速之比，需要实际率定；V表面为渠道断面处的水流表面流速，m/s；B上口、B下口分别为渠道断面上口、下口宽度，m；H有效为渠道断面处的有效水深，m。即：水面高度减去基准点高度

因此，渠道断面处的过流量：

(2)

明渠标准段量水采用断面流量法，用水位和理论公式或水位-流量曲线，推算过流断面的流量。

3 监测方案

3.1 监测点断面勘查

对断面经纬度进行现场定位，对监测断面找到合适位置进行设置临时水准点，测量水面与自动水位计探头之间的高差，与水位计测得水位比较，计算水尺零点高程，并校核一次。采用水准仪结合钢尺对监测断面的上边，底边，两个斜边的长度进行测量，绘制断面图进行编号，绘制水位面积关系曲线或推算水位面积公式。

考虑监测断面的实际情况，在远传水位计的监测断面设置人工监测水位断面。

3.2 监测方法

将观测设备垂直放置于明渠标准段水槽的底面，读取水面截于观测设备的读数，每次观读不少于2次，取其平均值与假定(绝对)基面高程的代数和作为观测水位。

本项目水位比测工作在明渠标准段固定测站输水时的高、中、低水位级分别开展。

4 监测结果及关系拟合

4.1 断面测量

渠道的大断面本文主要是指垂直于水流方向的渠道横断面，所涉及渠道主要用作引水、灌溉等功能，根据水文测量相关规范要求，进行渠道断面的测量，本文中主要为梯形断面和矩形断面。以自动监测设备自动水位计所在断面为测量断面，对渠道断面底部高程进行测量，最高点测量到渠道的左右坝顶，同时绘制断面图，断面水位面积累计曲线，见图3～图5所示。

图2 监测、测量现场照片

图3 河南营渠水断面图及水位-累计面积曲线图

图4 东大坝过水断面图及水位-累计面积曲线图

图5 唐北二号过水断面图及水位-累计面积曲线图

河南营渠断面位于唐三营镇石片村桥下；东大坝断面位置，位于唐三营镇东大坝村北；唐北二号，位于唐三营镇唐北村新大桥下，监测、测量现场照片如图2。

4.2 相关关系拟合

对人工实测流量与仪器自动断面流量建立相关关系，经过分析两者存在较高相关度(见图6～图8)。

图6 河南营渠人工实测断面流量与仪器自动断面流量相关关系图

图7 东大坝人工实测断面流量与仪器自动断面流量相关关系图

图8 唐北二号人工实测断面流量与仪器自动断面流量相关关系图

对人工实测流量与仪器自动水位建立水位流量关系，采用二次多项式对水位流量关系进行拟合，拟合的函数供参考。

图9 河南营渠人工实测断面流量与仪器自动水位相关关系图

图10 东大坝人工实测断面流量与仪器自动水位相关关系图

图11 唐北二号人工实测断面流量与仪器自动水位相关关系图

采用流速仪人工涉水测流方式对高中低三个水位级的渠道断面流量进行人工测量，并对人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速比较。结果表明，仪器监测水面流速与人工实测断面平均流速相差比较大，水位越低，流速相差越大，水位越高，流速相差越小(见图12～图14)。

图12 河南营渠人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速相关关系图

图13 东大坝人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速相关关系图

图14 唐北二号人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速相关关系图

4.3 结果分析

通过对渠首自动监测断面水位进行人工测量，并对人工测量水位与仪器自动测量的水位精度进行比较，结果表明，仪器设备测量的水位十分精准。采用流速仪人工涉水测流方式对高中低三个水位级的渠道断面流量进行人工测量，并对人工实测流量与仪器自动断面流量进行比较。结果表明，仪器设备测量的流量与人工测量流量相差比较大，低水水位，流量相差较大，中、高水位，流量相差较小。对人工实测流量与仪器自动水位建立水位流量关系，采用二次多项式对水位流量关系进行拟合，河南营渠、东大坝、唐北二号拟合的函数关系分别为：y=1.904 8 x2-0.883 3x+0.004 3、y=2.857 1x2-2.314 3x+0.595 9、y=-4.985 5x2+5.784 1x - 1.333 1供参考。采用流速仪人工涉水测流方式对高中低三个水位级的渠道断面流量进行人工测量，并对人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速比较。结果表明，仪器监测水面流速与人工实测断面平均流速相差比较大，低水水位，流速相差较大，中、高水位，流速相差较小。对人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速建立相关关系，经过分析两者存在较高相关度，河南营渠、东大坝、唐北二号的R2值分别为： 0.990 4、0.972 5、0.891 1。人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速关系是个直线函数，河南营渠、东大坝、唐北二号的函数关系分别为：y=2.174 9x-0.964 3、y=1.435 8x-0.219 4、y=0.895 1x-0.047 7。通过分析，雷达流速仪在低水时流速流量都偏大，流速偏大严重，并且雷达流速仪在渠道流速较小时精度比较低[4-6]过人工监测数据和自动计量数据对比，对于改进自动计量系统各项计算参数，提高引水口的取用水量的计量精度具有重要意义，具有重要的社会效益，以及经济效益。