劉思若，李君宇，蔣國(guó)民

1 人工監(jiān)測(cè)方法

1.1 斷面情況

1）觀瀾橋測(cè)流斷面選定在趵突泉泉池北部出口，河段順直、穩(wěn)定，斷面形狀規(guī)則，沿程變化均勻。2）河段內(nèi)無暗礁、深潭、跌水等阻礙正常水流。河段內(nèi)水流集中，無分流、岔流、回流、死水等情況。3）水流流向基本與橋軸線垂直，橋體跨度較小，河道內(nèi)無橋墩阻礙水流。

1.2 流速儀選擇

根據(jù)該測(cè)流斷面歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最小流速接近于0，最大流速小于0.1m/s，故選用測(cè)量范圍為0.01～0.5m/s的LB－50型低速旋杯流速儀。

1.3 測(cè)流方法選擇

觀瀾橋測(cè)流斷面選用流速面積法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按斷面流速分布規(guī)律，在斷面布置若干測(cè)深、測(cè)速垂線，以控制過水?dāng)嗝婷娣e和斷面流速變化；在測(cè)深垂線上測(cè)量深度，在測(cè)速垂線上測(cè)量流速，通過相鄰垂線平均流速計(jì)算對(duì)應(yīng)面積的平均流速，相鄰垂線間的面積乘以對(duì)應(yīng)面積的平均流速獲得該面積部分的流量，累加各面積部分的流量即為斷面流量。觀瀾橋測(cè)流斷面寬6.0m，分別在距起點(diǎn)為1.5m、3.0m、4.5m處設(shè)置測(cè)深測(cè)速垂線，一般情況下采用在相對(duì)水深0.2、0.8處施測(cè)的兩點(diǎn)法測(cè)流，在流速超出測(cè)量范圍時(shí)采用水面流速法測(cè)流。

1.4 測(cè)流頻率

一般情況下每周監(jiān)測(cè)一次，在趵突泉地下水位急劇下降或者水位較低時(shí)加密測(cè)量。

2 SONTEK-IQ實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)法

在泉水流量監(jiān)測(cè)過程中，由于測(cè)流斷面流速小，經(jīng)常出現(xiàn)接近甚至低于流速儀最低測(cè)速范圍的情況，傳統(tǒng)的流量監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)無法滿足監(jiān)測(cè)精度要求，濟(jì)南市水文局引進(jìn)了SONTEK－IQ實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)儀器相比，具有實(shí)時(shí)在線分析、高分辨率、高精度等優(yōu)點(diǎn)。SONTEK－IQ產(chǎn)品由美國(guó)YSI公司出品，可根據(jù)用戶自定義的計(jì)算方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。4個(gè)測(cè)速波束可獲得垂直和水平的流速剖面，以確保覆蓋整個(gè)流速范圍。內(nèi)置的壓力傳感器和垂直波束用于測(cè)定水位。只需在SONTEK－IQ軟件中簡(jiǎn)單的輸入渠道幾何數(shù)據(jù)，即可在幾分鐘內(nèi)獲得流量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)適用于水文部門對(duì)中小河流、輸水明渠、城市排水河道等水文參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

2.1 斷面情況

該斷面布設(shè)在觀瀾橋監(jiān)測(cè)斷面下游15m處，河段順直、穩(wěn)定，斷面形狀規(guī)則，沿程變化均勻。河段內(nèi)無暗礁、深潭、跌水等阻礙正常水流。河段內(nèi)水流集中，無分流、岔流、回流、死水等情況。

2.2 流速儀概況

SONTEK－IQ系統(tǒng)安裝于河道測(cè)流斷面底部，采用多普勒頻移的物理原理進(jìn)行測(cè)量流速，測(cè)量沿著水流方向的流速和使用斜向的波束測(cè)量水平方向的流速，水位可以由垂直波束和內(nèi)置集成的壓力傳感器來確定。該系統(tǒng)使用4個(gè)換能器發(fā)射的波束來測(cè)量流速，2個(gè)沿著軸線方向的波束和2個(gè)斜向的波束。1）沿著軸線方向的波束與垂直方向的軸線成25°的夾角。2）斜向的波束與垂直方向的軸線成60°的夾角，與明渠中心（水平）軸線的夾角也是60°。

2.3 測(cè)流方法

SONTEk－IQ系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量水流的速度和水位，加上由用戶提供的測(cè)流斷面的幾何尺寸，可以計(jì)算得到流量和水量。SONTEK－IQ系統(tǒng)支持不同環(huán)境和條件的流量計(jì)算。流量計(jì)算采用基于SONTEK－IQ系統(tǒng)實(shí)測(cè)的垂直流速剖面部分的流量理論計(jì)算方法，指標(biāo)流速率定采用以下公式計(jì)算：

V=V1+V2×（V3+sh）

V為斷面平均流速，m/s；V1為由用戶提供的流速偏差（截距），m/s；V2為 IQ 實(shí)測(cè)的流速，m/s；V3為由用戶提供的流速比例因子（無單位）；s為由用戶提供的水深系數(shù)，1/s；h為實(shí)測(cè)的水位（總水深），m。

2.4 測(cè)量頻率

該系統(tǒng)設(shè)置為每20min接收一次斷面水文數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

濟(jì)南市水文局采集了2017年6月以來的21組實(shí)測(cè)流量值與相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，見表1。建立兩者相關(guān)關(guān)系，點(diǎn)繪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與SONTEK－IQ遙測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)圖見圖1～圖2。兩者基本呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.912，相關(guān)性較好。比測(cè)誤差尤其是在低流量下大多小于5%，但仍有誤差超過20%的情況。

根據(jù)觀瀾橋斷面實(shí)際情況分析，造成誤差的主要原因有以下幾方面：1）低流速下旋杯式流速儀的精度誤差；2）SONTEK－IQ系統(tǒng)水位、水深測(cè)量誤差；3）流速脈動(dòng)引起的垂線流速測(cè)量誤差；4）借用斷面面積與斷面實(shí)際面積之間的誤差；5）SONTEK－IQ系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與實(shí)際情況的誤差。

表1 流量數(shù)據(jù)及誤差

圖1 流量對(duì)比圖

圖2 數(shù)據(jù)相關(guān)圖

4 結(jié)語

通過對(duì)趵突泉觀瀾橋斷面SONTEK－IQ監(jiān)測(cè)與人工實(shí)測(cè)流量資料的對(duì)比分析，建立兩者的相關(guān)關(guān)系，其測(cè)驗(yàn)誤差基本符合規(guī)范要求。尤其是在低流速流量下，SONTEK－IQ實(shí)時(shí)在線流量監(jiān)測(cè)的可靠性和方便程度超過人工。對(duì)于出現(xiàn)的比測(cè)超差情況應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)查明原因，提高自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在各種流量情況下的可靠性。SONTEKIQ實(shí)時(shí)在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比人工監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性更高，對(duì)斷面流量變化過程的可監(jiān)測(cè)性對(duì)于節(jié)水保泉、水資源利用分析以及未來的泉水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)有較高的數(shù)據(jù)利用價(jià)值。