凤凰颈排灌站自动流量比测率定分析
2023-08-31秦海斌
秦海斌,李 伟
（芜湖水文与水资源局,安徽 芜湖 238300）
1 概况
1.1 凤凰颈排灌站基本情况
凤凰颈排灌站是巢湖流域综合治理的骨干工程,共有闸门48 孔（上下各24 孔）,孔宽3.3 m,低孔高3.68 m～4.20 m,高孔高3.22 m～3.76 m,闸底高程-3.80 m,“X”型双向流道设计。安装叶轮直径3.10 m 的轴流泵6 台,配套同步电机6 台总装机容量1.48 万kW。设计机排流量240 m3/s,机引灌溉流量200 m3/s,自流排灌均为380 m3/s。排灌站上游250 m 处拦污物桥一座。
凤凰颈排灌站运行有三种情况,自流、机排、机灌。自流时不开抽排机组,河水根据长江和西河水位高低自由流动；机排时西河水位低于长江水位,开启抽水机组将内河水抽排至长江；机灌时长江水位低于西河水位,开启抽水机组将长江水抽灌至西河。
1.2 水文站基本情况
凤凰颈排灌站水文站位于排灌站上游400 m,该站是二类精度国家重要水文站。主要监测西河与长江自然以及机灌、机排等工况条件下水量交换情况,该站与凤凰颈闸、裕溪闸、铜城（新桥）闸共同控制整个巢湖流域进出口水量,共同控制流域面积12940 km2。实测最高水位为12.79 m（2020年7 月19 日）,最大流量为340 m3/s（2000年6 月3 日）,最大负流量为-405 m3/s（2000年7 月25 日）。
水文站断面所在河段连接西河与长江,是一段长度约4.6 km 的人工开挖河道,最大河宽约160 m,河道顺直,河底高程约9.10 m,断面上游3 km 与西河连接（测验河段为西河与长江之间的引河）,断面下游1.6 km 处为长江。两岸有圩堤控制,左右岸边有水草生长,断面呈“U”型,河床基本为粘土,断面稳定。因排灌站工况复杂,水位流量关系紊乱,目前一直采用连实测流量过程线法进行测次布置和资料整编。
2 自动测流系统情况
2.1 测流原理
ADCP 是利用声学多普勒频移效应进行流速或流量测验的测验系统。水平式ADCP 是将仪器探头安装在测流断面一侧水下某一高程处,沿断面的方向测验一层多个起点距位置（单元）的流速。坐底式ADCP 是将仪器探头安装在测流断面河底,沿水面方向测验一条垂线多个高程位置（单元）的流速。通过上述设备获得的水平或垂向流速数据作为断面代表流速与全断面的平均流速建立相关关系,用实时的水位和水文站实测的大断面数据计算出面积,用代表流速推求断面流量后,采用连流量过程线法推求水量。
2.2 水平式ADCP 情况
本站采用的水平式ADCP 仪器探头为美国LINKQUEST公司Flowscout600,通过对历史实测流量垂线流速分布情况进行分析,仪器安装在起点距为46.0 m,高程为6.77 m 处,仪器波速角为1.4°,可监测到120 m 距离范围内的水平流速情况（见图1）。
图1 水平式ADCP 安装示意图
2.3 坐底式ADCP 情况
本站坐底式ADCP 采用两个美国LINKQUEST 公司Flowscout2000,通过对历史实测流量垂线流速分布代表性等情况进行分析,仪器安装起点距分别为58.0 m 和100.0 m,因本站历史最大水深为9.25 m,两套仪器均能监测到自水面到探头位置的垂线流速情况（见图2）。
图2 坐底式ADCP 安装示意图
3 数据整理及资料分析
凤凰颈排灌站负流量（长江抽引水）资料来自2019年5 月底至11 月的3 次机灌流量过程,水文站共实测流量31 次,两套自动流量监测系统每分钟均实测一次流量。水文站实测成果中采用走航式ADCP 施测12 次,采用水文缆道流速仪多线两点法（0.2、0.8 相对水深）施测17 次,多线一点法（0.6相对水深）施测2 次。正流量资料来自2020年6 月至9 月的3 次机排流量过程,采用水文缆道流速仪共实测流量38 次,其中采用多线两点法施测23 次,采用多线一点法施测15 次。本文通过水文站实测整编成果与两种自动流量监测系统数据进行比测分析,其一分析自动监测数据与实测数据的相关性,其二分析自动监测数据的准确性。
3.1 水平式ADCP 关系率定
通过水平式ADCP 实测流速数据与水文站实测流量平均流速数据进行比测,拟定代表流速关系曲线公式为V实=1.083×Vcp,为水平式ADCP 监测流速数据。经检验分析,系数线标准差为8.5%,系统误差0.1%（见图3）。
图3 水平式ADCP 平均流速与实测流速关系曲线
3.2 坐底式ADCP 关系率定
通过坐底ADCP 实测流速数据与水文站实测流量平均流速数据进行比测,拟定负流量代表流速关系曲线公式为V实=0.954×Vcp,为两台坐底式ADCP 监测流速数据均值。经检验分析,系数线标准差为6.0%,系统误差0.6%。正流量实测平均流速与在线平均流速关系曲公式为V实=0.989×Vcp,经分析系数线标准差为3.4%,系统误差为0.0%（见图4、图5）。
图4 负流量坐底式ADCP 平均流速与实测流速关系曲线
图5 正流量坐底式ADCP 平均流速与实测流速关系曲线
3.3 实测整编成果
3.3.1 2019年负流量整编成果对比分析
水文站根据实测流量数据和泵站开关机情况,采用连实测流量过程线法对流量数据进行整编。根据整编成果,共有7 月30 日17∶30～8 月9 日15∶12、8 月12 日9∶27～8 月26 日14∶42 和10 月25 日17:06～11 月2 日16∶06 三个机灌流量时段。水平式ADCP、坐底式ADCP 采用代表流速乘以断面面积得到流量后,采用连实测流量过程线法进行整编,成果见表1,流量过程线见图6～图8。
表1 整编成果对照表
图6 第一时段实测流量过程线图
图7 第二时段实测流量过程线图
图8 第三时段实测流量过程线图
3.3.2 2020年正流量整编成果对比分析
水文站根据实测流量数据和泵站开关机情况,采用连实测流量过程线法对流量数据进行整编。根据整编成果共有6 月14 日8∶40～6 月17 日13∶50、6 月21 日15∶00～7 月3 日10∶07、7 月4 日10∶00～9 月1 日0∶00 三个流量时段。坐底式ADCP 采用平均流速乘以断面面积得到流量后,采用连实测流量过程线法进行整编,成果见表2,流量过程线见图9～图11。
表2 整编成果对照表
图9 第一时段实测流量过程线图
图10 第二时段实测流量过程线图
图11 第三时段实测流量过程线图
3.4 误差评定
水平式ADCP 代表流速与实测流量平均流速系数为1.083,关系线系统误差0.1%,标准差8.5%；坐底式ADCP 负流量代表流速与实测流量平均流速系数为0.954,关系线系统误差0.6%,标准差6.0%。坐底式ADCP 正流量系数为0.989,关系线系统误差0.0%,标准差6.8%。其中坐底式ADCP 误差基本满足资料整编规范要求。
负流量比测时段水文站实测流量极值-350 m3/s；水平式ADCP 实测流量极值-376 m3/s,误差26.0 m3/s；坐底式ADCP 实测流量极值-367 m3/s,误差17.0 m3/s。从水量上看,第一时段水平式ADCP 水量误差3.68%,坐底式ADCP 水量误差3.78%；第二时段水平式ADCP 水量误差4.50%,坐底式ADCP 水量误差4.08%；第三时段水平式ADCP 水量误差8.94%,坐底式ADCP 水量误差14.06%。三个时段水量累计,水平式ADCP 总水量误差4.93%；坐底式ADCP 总水量误差5.70%。
正流量比测时段水文站实测流量极值263 m3/s,坐底式ADCP 实测流量极值295 m3/s,误差32 m3/s。从水量上看,第一时段坐底式ADCP 水量误差3.61%；第二时段坐底式ADCP 水量误差4.52%；第三时段坐底式ADCP 水量误差2.35%。三个时段水量累计坐底式ADCP 总水量误差2.78%。
从流量整编成果来看,2020年正流量水文站实测和在线ADCP 整编成果见表3,最大1 日洪量误差2.68%,最大3 日洪量误差4.33%,最大7 日洪量误差4.75%,最大15 日洪量误差2.32%,最大30 日洪量误差2.04%,最大60 日洪量误差2.21%。再从水文站实测和在线ADCP 整编的逐日平均流量来看,2019年水平式ADCP 逐日平均流量误差小于10%的天数占77.1%,坐底式ADCP 逐日平均流量误差小于10%的天数占82.9%,2020年坐底式ADCP 逐日平均流量误差小于10%的天数占96.1%。成果见表4、表5。
表3 2020年正流量洪量对照表
表4 2019年负流量逐日表对比误差统计
表5 2020年正流量逐日表对比误差统计
4 结论与建议
（1）根据凤凰颈排灌站水平式、坐底式ADCP 自动流量监测系统的比测分析评价认为,可以采用坐底式ADCP 为280 m3/s～-350 m3/s 区间范围内监测数据进行资料整编,每年水文站施测3～5 次进行关系曲线验证,水平式ADCP 还需要对仪器安装位置等进行调整。
（2）自动流量监测设备对闸门、泵站变动更敏感,例如2019年10 月28 日有一次短暂的泵站机组变化,由于其变化迅速,水文站无法实测流量,但自动监测能够完整反映水量变化过程,其水量的测验精度优于水文站实测。通过自动流量监测数据可看出,当闸门或泵站发生变动时,其变动时间从5～30 分钟不等,与目前整编统一采用的12 分钟稍有差距,对后期整编数据加工有一定指导作用。
（3）从比测分析来看,凤凰颈排灌站这种闸坝站,人工开挖河道,形状规则、断面变化很小、河宽100 m～150 m、流速不大、漂浮物较少的水文站较适合采用坐底式ADCP 进行流量监测。
