孫芬花

（河北省石家莊水文水資源勘測局,石家莊050051）

1 概述

在南水北調(diào)中線工程全線貫通之前，為了應(yīng)急緩解北京市的供水缺口，河北省從2008年開始通過南水北調(diào)中線京石段總干渠，分階段向北京供水。黃壁莊水庫出庫水量經(jīng)石津渠進入南水北調(diào)中線總干渠，供水線路長18km。石津渠在入中線總干渠渠口前設(shè)有測驗斷面，以便準確測量供北京的水量?，F(xiàn)有的測驗設(shè)備采用水文纜道，用流速儀多線多點法（即精測法）施測，每測一次流量需要1h以上，費時費力并且無法進行流量在線監(jiān)測。故找出一種既能滿足流量測驗精度要求，又能縮短測驗歷時，并能實時上傳流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法尤為重要。

2 斷面概況

石津渠入干前測驗斷面位于石津渠與南水北調(diào)中線總干渠分水交叉口前150m，分水口后設(shè)立石津渠入干后測驗斷面，兩者的監(jiān)測結(jié)果用于計算黃壁莊水庫出庫水量中給北京和石津灌區(qū)供水的分攤比例。兩個測驗斷面均為2008年新設(shè)斷面，斷面為梯形，斷面寬41.0m，深5.5m，河床穩(wěn)定沒有沖淤。由于測驗斷面上下游均有電站，入南水北調(diào)總干渠渠口也有閘門控制，受其影響，水位沒有代表性，水位流量關(guān)系不穩(wěn)定。

3 現(xiàn)有測流方案

為了保證測驗精度，根據(jù)規(guī)范要求，采用流速儀精測法測流［1］。全斷面共選取9條測速垂線，起點距分別為5.0，9.0，13.0，17.0，21.0，25.0，29.0，33.0，37.0m，每條垂線用三點法施測（相對水深0.2，0.6，0.8）。

4 精簡分析

為了更全面地掌握斷面流速分布特征，探求各垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系，現(xiàn)用2008～2009年流速儀精測法實測的流量資料進行分析，分中低水（水位在98.10m及以下流量測次）和高水（水位在98.10m以上流量測次）兩種情況，以斷面上每條測速垂線的垂線平均流速分別與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，找出流速單斷關(guān)系較好的測速垂線位置［2］。

由于關(guān)系線較多，只列出高水流量測次起點距為13.0m的垂線平均流速（V13.0）與斷面平均流速（VD）的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 V13.0～VD單斷關(guān)系

其他測速垂線的流速單斷關(guān)系及各關(guān)系線的隨機不確定度如表1，關(guān)系圖略。通過分析可知，無論是高水還是中低水，起點距為13.0m的垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系（V13.0～VD關(guān)系）最好，關(guān)系點對關(guān)系線的隨機不確定度小于等于8%，符合一類精度水文站的定線精度指標［3］。

定線分析時，受流速脈動影響，個別垂線流速紊亂，關(guān)系點偏離關(guān)系線太多，故舍去。

表1 各垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系

再用起點距為13.0m的實測垂線平均流速和V13.0～VD關(guān)系式，進行流量精簡分析。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，精簡后算得的流量與精測法實測的流量相比，其誤差限界必須達到“流量相對誤差不超過±5%，累積頻率達到75%以上”或“流量相對誤差不超過±10%，累積頻率達到95%以上”［4］。

在分析的196份流量測次中，高水分析測次51次，其流量相對誤差不超過±5%的有36次，其累積頻率為70.6%，不符合要求；流量相對誤差不超過±10%的有51次，其累積頻率為100%，符合要求。中低水分析測次145次，流量相對誤差不超過±5%的有117次，其累積頻率為80.7%，符合要求；流量相對誤差不超過±10%的有145次，其累積頻率為100%，符合要求。對其他測速垂線進行了精簡分析，但誤差都達不到要求。

通過以上計算分析可知，石津渠入干前斷面精測法測速垂線，無論中低水還是高水，起點距為13.0m的測速垂線，其垂線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系最好，符合水文規(guī)范的要求，所以起點距為13.0m的測速垂線比其他8條測速垂線的代表性好。

5 淺水式多普勒流速儀應(yīng)用

淺水座底式多普勒流速儀淘金者—SW型（儀器如圖2所示），是美國Son Tek/YSI公司生產(chǎn)的實時流速測驗設(shè)備，用于實時監(jiān)測流速、水位和流量，能夠很容易地安裝在明渠或者管道的底部。淘金者—SW型多普勒流速儀有三個聲學(xué)波束，其中使用成一定角度的兩個聲學(xué)波束來測量剖面的流速，第三個垂直聲學(xué)波束監(jiān)測水位，并能根據(jù)水位變化自動調(diào)整測量范圍（測流原理如圖3所示）。淘金者—SW型多普勒流速儀適用于淺水，要求河道或渠道的水深在0.2～5.0m之間，流速范圍±5m/s［5］。

圖2 淘金者—SW型多普勒流速儀

圖3 淘金者—SW型測流原理

使用前用戶要將測量來的斷面幾何尺寸輸入計算機中，淘金者—SW型多普勒流速儀采集的實時水位對應(yīng)于過水面積。其后，淘金者—SW型多普勒流速儀通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將實時測量的流速、水位傳輸?shù)接嬎銠C里進行數(shù)據(jù)后處理就得到實時流量測驗成果［6］。

使用淘金者—SW型多普勒流速儀測流，首先要確定儀器最佳的固定安裝位置，即首先要對流速儀精測法的多條垂線進行率定，找出垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系較好的測速垂線，也即應(yīng)首先找出淘金者—SW型多普勒流速儀固定在那條測速垂線上測得的流量精度高，符合規(guī)范要求。

通過上述分析可知，對石津渠入干前測驗斷面而言，把淘金者—SW型多普勒流速儀固定在起點距為13.0m的測速垂線上最符合測驗精度要求。若再經(jīng)過比測率定，準確地建立淺水座底式多普勒流速儀施測的垂線平均流速與流速儀法施測的斷面平均流速的關(guān)系，推求出的斷面流量精度會更高，更符合水文規(guī)范要求。

6 結(jié)語

（1）通過對南水北調(diào)石津渠入干前斷面測速垂線進行精簡分析可知，起點距為13.0m的測速垂線的垂線平均流速與斷面平均流速有較好的相關(guān)關(guān)系，誤差評定符合水文規(guī)范的要求，所以起點距為13.0m的測速垂線的垂線代表性最好。

（2）把多普勒流速儀固定垂線上進行流量實時監(jiān)測，并做比測率定，找出其施測的垂線平均流速與流速儀施測的斷面平均流速的關(guān)系，推求斷面流量。

（3）用多普勒流速儀進行流量在線監(jiān)測，既減輕了測驗工作量，又能將流量數(shù)據(jù)實時傳輸，為決策機構(gòu)科學(xué)調(diào)度提供實時準確的流量數(shù)據(jù)。

［1］GB50179—1993，河流流量測驗規(guī)范［S］．

［2］任華．東臺（泰）水文站流量測驗測速垂線精簡分析［J］．江蘇水利，2010（3）．

［3］SL247—1999，水文資料整編規(guī)范［S］．

［4］王錦生．水文測驗手冊［K］．北京：水利電力出版社，1983．

［5］楊豐，楊俊青．多普勒法測流技術(shù)簡介［J］．水文，2004（2）．