邵子昂

(安徽省宿州水文水資源局，安徽 宿州 234000)

1 問題提出

符離集閘水文站為濉河主要控制站，集水面積2 381 km2。老閘拆除重建前有穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，2014年新閘建成后，因水資源管理需要，閘門經(jīng)常小開度運(yùn)行且變動頻繁，給水文測驗(yàn)工作帶來嚴(yán)重影響。2015—2017年經(jīng)常出現(xiàn)閘門小開啟時，測驗(yàn)斷面流量為零的現(xiàn)象，很難率定出單一水位流量關(guān)系，資料整編成果也受到質(zhì)疑。為解決上述問題，2016年購置了LSH10—1型超聲波多普勒流速儀，2017年對其進(jìn)行改裝應(yīng)用，成功解決測驗(yàn)問題，并嘗試?yán)?019年實(shí)測流量成果率定出單一水位流量關(guān)系。

2 測站概況

2.1 測站基本情況

符離集閘水文站位于安徽省宿州市維橋區(qū)符離鎮(zhèn)符離村，設(shè)站于1973年，為省級重要水文站、二類精度站。監(jiān)測項(xiàng)目有降水、水位、流量、地下水和水文調(diào)查等，承擔(dān)向沿河兩岸提供水文情報的服務(wù)。流域地處淮北平原，地形以平原區(qū)為主，地面坡度約0.14 ‰，土壤主要為黃泛區(qū)亞砂土，降水入滲率大。

2.2 測站特性及水文特征

(1)測站特性。測驗(yàn)河段為人工河道，河段順直，河槽近似U型。高、中水位時，主槽寬度約80 m，漫灘寬度約150 m。河床為亞黏土，沖淤甚微。兩岸堤防按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堤頂高程33.3 m，河口地面高程28.3 m左右。測流斷面位于閘下游470 m處，正常情況采用纜道測流，纜道跨堤防架設(shè)，跨度180 m，能夠控制測流斷面各水位級流量。符離集節(jié)制閘共7孔，每孔寬度12 m，閘底板高程22.75 m。節(jié)制閘右岸有船閘1座，測流斷面下游80 m處有鐵路橋1座(見圖1)。

(2)水文特征。閘上多年平均水位26.54 m，最高水位29.82 m，發(fā)生于2018年8月19日；最低水位22.61 m，發(fā)生于1978年8月19日。閘下多年平均水位24.92 m，最高水位29.49 m，發(fā)生于2018年8月20日；最低水位河干，發(fā)生于1978年6月11日。多年平均流量4.26 m3/s，最大流量810 m3/s，發(fā)生于2018年8月20日；最小流量-25.9 m3/s，發(fā)生于1984年11月11日。多年平均徑流量1.348億 m3，最大徑流量5.56億 m3，發(fā)生于2018年；最小徑流量0.019 5億 m3，發(fā)生于1984年。多年平均降水量847.2 mm，降水量年內(nèi)分配不均，汛期5—9月降水量約占年降水的75%；年最大降水量1 466.8 mm，發(fā)生于1996年；年最小降水量504.7 mm，發(fā)生于2001年。

圖1 符離集閘站測驗(yàn)河段平面示意

3 LSH10—1型超聲波多普勒流速儀技術(shù)參數(shù)

LSH10—1型超聲波多普勒流速儀是應(yīng)用超聲“多普勒效應(yīng)”原理制成的超聲測速儀。它沒有旋槳、軸承等轉(zhuǎn)動部件，用超聲波技術(shù)探測流速，無摩擦、無慣性，測量點(diǎn)在機(jī)體前方，不破壞流場，具有測量精度高、量程寬，感應(yīng)靈敏，測流線性，不懼泥沙，漂浮雜物，讀數(shù)直觀，操作簡便，不易破壞等特點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

4 設(shè)備改造及應(yīng)用分析

4.1 設(shè)備改裝

LSH10—1型超聲波多普勒流速儀由水下探頭、電纜和水上主機(jī)組成，必須將探頭、電纜、水上主機(jī)連接成一個完整的系統(tǒng)后儀器方能使用，主要用于明渠測速。該設(shè)備應(yīng)用于水文纜道需進(jìn)行必要的改裝，改裝方案為：將水下探頭固定在纜道測流固定流速儀位置(鉛魚首部)，利用纜道循環(huán)索導(dǎo)電代替原設(shè)備測速電纜，纜道操作系統(tǒng)代替設(shè)備主機(jī)功能。設(shè)備改裝前后連接方式如下所示(見圖2、圖3)。

圖2 設(shè)備改裝前測速連接方式

圖3 設(shè)備改裝后測速連接方式

4.2 應(yīng)用分析

4.2.1 分析原理

2.1 岸邊環(huán)境污染 消落帶是物質(zhì)能量輸送與轉(zhuǎn)化的活躍地帶，庫岸的生活及工業(yè)垃圾、農(nóng)作物殘留化肥農(nóng)藥等污染物直接進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體污染和富營養(yǎng)化，加上消落區(qū)域缺乏固有植被的攔截過濾，自凈能力低下，極容易形成岸邊水陸交叉污染帶。

由于全年閘門均為小開啟，閘門過水流態(tài)均為淹沒式孔流，利用堰閘過水平均流速法分析，建立Z～Vcp關(guān)系：

(1)

式中，Q為流量(m3/s)；M為流量系數(shù)；B為閘門開啟總寬(m)；e為閘門開啟平均高度(m)；Z為閘上、下游水位差(m)。

Vcp=Q/A

(2)

在等量流時，公式(2)中的Q與實(shí)測流量相等，除以當(dāng)時的閘孔過水面積，便得到過閘流速。公式(2)即為“堰閘過水平均流速法”計(jì)算過閘平均流速的基本公式。

利用實(shí)測流量和閘孔過水面積，采用公式(2)求得的Vcp值，如是淹沒式孔流，可建立Z～Vcp關(guān)系。

2019年符離集閘水文站共測流103次，對9次突出點(diǎn)進(jìn)行合理性分析后舍棄，實(shí)際采用94次。經(jīng)計(jì)算，實(shí)測最大水位差3.2 m，最小水位差0.02 m，求得最大過閘平均流速5.12 m/s,最小過閘平均流速0.43 m/s(見表1)。

表1 2019年符離集閘站實(shí)測閘上下游水位差和過閘平均流速成果

4.2.3 比測分析

2019年8月12日9時35分至10時26分，采用旋杯式流速儀與LSH10—1多普勒流速儀在起點(diǎn)距為85.0 m的測速垂線上進(jìn)行比測分析。

(1)流速儀測速。測時水位為26.20 m，水深為2.45 m，采用三點(diǎn)法測速，垂線平均流速為0.18 m/s，相對位置0.2處測點(diǎn)流速為0.19 m/s，相對位置0.6處測點(diǎn)流速為0.18 m/s，相對位置0.8處測點(diǎn)流速為0.16 m/s。

(2)使用LSH10—1型超聲波多普勒流速儀測速。測時水位為26.21 m，水深為2.46 m，采用三點(diǎn)法測速，垂線平均流速為0.18 m/s，相對位置0.2處測點(diǎn)流速為0.19 m/s，相對位置0.6處測點(diǎn)流速為0.18 m/s，相對位置0.8處測點(diǎn)流速為0.17 m/s。

旋杯式流速儀與LSH10—1型超聲波多普勒流速儀測得垂線平均流速誤差為0。

4.2.4 分析結(jié)果

利用2019年符離集閘實(shí)測閘上、下游水位差和過閘平均流速建立Z～Vcp關(guān)系(見圖4)。

Vcp=2.945Z0.483 7

(3)

式中符號意義同上。

4.2.5 檢驗(yàn)分析

關(guān)系曲線假設(shè)檢驗(yàn)由符號檢驗(yàn)、適線性檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)三項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，在水文上通常稱作“三項(xiàng)檢驗(yàn)”。本文三項(xiàng)檢驗(yàn)計(jì)算參照《水文資料整編規(guī)范》(SL/T 247—2020)規(guī)定的要求，計(jì)算結(jié)果如下所示(見表2)。

圖4 符離集閘水文站實(shí)測水位差與過閘平均流速相關(guān)示意

表2 符離集閘水文站關(guān)系線三項(xiàng)檢驗(yàn)

由表2可得，符離集閘水文站淹沒式孔流關(guān)系曲線未通過假設(shè)檢驗(yàn)，暫不能滿足《水文資料整編規(guī)范》和《水文巡測規(guī)范》(SL 195—2015)規(guī)定的定線合理性檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)要求，但可以作為推求報汛流量和實(shí)測流量合理性檢查的依據(jù)。

由于實(shí)測流量數(shù)據(jù)在不同水位級序列長度有限，更進(jìn)一步的計(jì)算過閘平均流速需要在以后的工作中繼續(xù)增加高水位時的流量實(shí)測數(shù)據(jù)，對閘上、下游水位差與過閘平均流速關(guān)系線進(jìn)行修正。

5 結(jié) 論

(1) LSH10—1型超聲波多普勒流速儀在符離集閘水文站的應(yīng)用，能成功解決該站小流量測驗(yàn)問題；同時也可為流域內(nèi)中小河流枯水期流量測驗(yàn)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

(2)測驗(yàn)成果采用連實(shí)測流量過程線法推流滿足整編規(guī)范要求，率定的單一線沒能通過三項(xiàng)檢驗(yàn)，但可以作為推求報汛流量和實(shí)測流量合理性檢查的依據(jù)。