程 震，楊 凌，韓藝偉，董志東，朱 倩

（1.北京市水文總站，北京 100089；2.北京新敏興業(yè)環(huán)境科技發(fā)展有限公司，北京 100089）

1 概述

1.1 三家店永定河引水渠基本情況

永定河引水渠是北京市修建最早的第一條引水工程，興建于1956 年1 月至1957 年7 月。永定河全區(qū)三家鎮(zhèn)張店村的城龍引河攔截排水渠上還曾修建有一座用于城龍引河攔截入江過(guò)河橋的引水閘，共17 孔，孔寬12m，閘底上部閘頂胸墻高程102m，設(shè)12m×8m 的大型鋼制弧形門和不銹鋼大型鋼制引水閘門。城龍過(guò)河攔截進(jìn)入河的引水閘，設(shè)二孔，孔寬4.5m，弧形門為不銹鋼大型鋼制引水閘門，閘底上部閘頂胸墻高程105m，設(shè)有一個(gè)弧形胸墻，孔口高2.2m。這座城龍引水?dāng)r截過(guò)河灌渠又稱引水?dāng)r截閘，系一條引水管道多孔式的引水暗渠，設(shè)于一座城龍引河攔截過(guò)江入河橋的引水閘右[1]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

原始數(shù)據(jù)采集于ADCP 測(cè)流儀以及XP-256 型測(cè)流儀。采集方式為通過(guò)ADCP 測(cè)流儀對(duì)河道進(jìn)行5 次測(cè)量，最終得到有效數(shù)據(jù)5 個(gè)。并通過(guò)XP-256 型測(cè)流儀共進(jìn)行了4 組測(cè)流，每組測(cè)量時(shí)間為5min，測(cè)量期間可以得到10 個(gè)流量數(shù)據(jù)，每?jī)山M測(cè)流之間相隔5min，最終得到有效數(shù)據(jù)40 個(gè)。

2 測(cè)流儀介紹

2.1 XP-256 型測(cè)流儀介紹

河床的演變是河流能量轉(zhuǎn)換與再分配的過(guò)程，在此過(guò)程中還具有一定的或然率。而河流熵理論是從能量和或然率的角度研究河流能量得耗散和分配規(guī)律。挾流的沙流和水流的動(dòng)能水力作用機(jī)械的動(dòng)能由河流水和水的懸移質(zhì)所結(jié)合組成的渾就是水體的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能和質(zhì)體動(dòng)能（推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)需要水流提供能量，推移質(zhì)不能增加水流的比重，僅有水和推移質(zhì)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換而成為水和懸移質(zhì)后，才能同時(shí)提供其他水力作用機(jī)械的動(dòng)能）組成。其工程機(jī)械運(yùn)動(dòng)能的各種損耗分散方式由以下若干組成部分聯(lián)合組成：一部分推動(dòng)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)作有用功，轉(zhuǎn)化而成為漂浮推移質(zhì)的平均可用動(dòng)能，維持漂浮推移質(zhì)平均運(yùn)動(dòng)；其余都同時(shí)轉(zhuǎn)化而成為紊亂的動(dòng)能和紊亂熱能，其中紊動(dòng)能又有一部分懸浮懸移質(zhì)作有用功，轉(zhuǎn)化為懸移質(zhì)的平均勢(shì)能，維持懸移質(zhì)懸浮和渾水平均比重，其余紊動(dòng)能都轉(zhuǎn)化為熱能耗散。由此可得，對(duì)輸水輸沙及河床演變無(wú)效的熱能并不全都由水力機(jī)械能的損耗轉(zhuǎn)化而來(lái)，河流最小沙和可用沙的能耗率計(jì)算原理可通過(guò)表達(dá)定義為：在一定河床來(lái)自河水水流來(lái)源于沙的一定條件下，河流總是在一定的有約束力的條件下盡可能多地調(diào)整所有沙的可變量，以達(dá)到使得河流挾沙進(jìn)入水流的可用沙和機(jī)械運(yùn)動(dòng)能耗和損耗能效率大大減小，且其中當(dāng)一定河道水流穩(wěn)定時(shí)為最小，最小值的計(jì)算數(shù)值一般取決于一定來(lái)自河水水流來(lái)源的沙和一定河床來(lái)水邊界處的條件，該河流損耗能效率原理可用一種如下計(jì)算公式進(jìn)行表達(dá)。

式中：P——可用機(jī)械能損耗率，即熵產(chǎn)生率；γm——渾水平均比重；Q——流量；U——流速；Je——能坡；γs——泥沙比重；γ——水的比重；S——懸移質(zhì)含沙量；ω——懸移質(zhì)平均沉速；gb——單寬推移質(zhì)輸沙率；Bd——推移質(zhì)輸沙帶寬；Ug——推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度；?——推移質(zhì)水下休止角；J0——河床坡降[2]。

天然造床河流的主要來(lái)源輸水變量來(lái)水輸沙演化過(guò)程一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)非恒定變化過(guò)程，河床變量演變演化過(guò)程一般是由不平衡向相對(duì)自動(dòng)平衡方向調(diào)整的一個(gè)漸變變化過(guò)程，河床變量演變過(guò)程在天然造床自動(dòng)流量和來(lái)水沙平衡條件下可以表現(xiàn)為突出均衡性和穩(wěn)定性，形成相對(duì)穩(wěn)定的天然河床變量形態(tài)，河流最小長(zhǎng)度可用輸沙能耗率均衡原理分析及其表達(dá)式全面地準(zhǔn)確反映了干流河道沖積輸水后的輸沙和支流河床變量演變的自動(dòng)能耗均衡特性，統(tǒng)一性地表達(dá)了河道清水流入明渠的支流和河道沖積后的河流均衡演變穩(wěn)定的基本機(jī)理，不僅在系統(tǒng)數(shù)學(xué)上完整地準(zhǔn)確表達(dá)了河道沖積后的河流對(duì)于河床變量演變的自動(dòng)均衡調(diào)整控制作用及其基本原理，還準(zhǔn)確反映了河道床面輸沙質(zhì)和清水沖泄質(zhì)的自動(dòng)劃分作用標(biāo)準(zhǔn)、高含沙沖積水流的排沙特性和河床挾沙力特性等，說(shuō)明一個(gè)河床變量演變過(guò)程是多個(gè)河床變量之間的一種綜合演變關(guān)系，因此，利用變分原理中的最大熵原理，可做明渠水流流量研究中的應(yīng)用。

我國(guó)長(zhǎng)期水文生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)天然渠和明渠洪水流量變化預(yù)測(cè)本身技術(shù)要求高和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確精度高、時(shí)效性強(qiáng)。但再當(dāng)前這個(gè)階段，國(guó)內(nèi)在工程流量管理計(jì)算和科學(xué)測(cè)量方法的實(shí)際應(yīng)用研究方面仍然在技術(shù)整體上仍然處于一個(gè)萌芽發(fā)育階段，雖然已經(jīng)取得了一些可用的研究結(jié)果，但與國(guó)外水平相比仍然還有很大的發(fā)展差距。在大部分大型水利水電工程中，流量的計(jì)算測(cè)量和科學(xué)計(jì)算還主要停留在一些經(jīng)典的流量計(jì)算和科學(xué)測(cè)量方法上。例如有關(guān)水文部門依據(jù)大量實(shí)測(cè)，發(fā)布了關(guān)于電波流速儀的測(cè)量規(guī)程中關(guān)于表面流速與斷面平均流速的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[3]。

但是，天然淡水明渠流動(dòng)是很典型的三維明渠流動(dòng)，這主要原因如下：①明渠河道的不規(guī)則彎曲形狀；②河道邊界線和粗糙度的不同；③河道湍流的各向不特異性。真正的是因?yàn)槿S明渠流動(dòng)的數(shù)學(xué)復(fù)雜性，對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行徹底的科學(xué)研究與進(jìn)行理論上的分析就會(huì)存在較大困難，建立天然明渠三維流動(dòng)控制函數(shù)方程時(shí)，如果不對(duì)許多參數(shù)做出明確的邊界條件限定很難得到滿意的計(jì)算結(jié)果。并且通過(guò)據(jù)此簡(jiǎn)化諸多參數(shù)得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（K）來(lái)推導(dǎo)不同水位下的斷面平均流速既不夠嚴(yán)謹(jǐn)也不夠精確。

20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，激光湍流測(cè)速與電子adcp測(cè)速技術(shù)廣泛地的被應(yīng)用于整個(gè)明渠過(guò)程湍流的測(cè)量研究?，F(xiàn)代儀器測(cè)量精度的不斷增加已經(jīng)使得我們已經(jīng)能夠比較清晰的觀察得到整個(gè)明渠過(guò)程中的整體流速流場(chǎng)分布，以便于我們能夠?qū)φ麄€(gè)明渠過(guò)程中的整體流場(chǎng)分布進(jìn)行更加深入的測(cè)量分析。通過(guò)對(duì)明渠實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與實(shí)驗(yàn)總結(jié)我還可以幫助建立明渠流量與其他的影響明渠因素之間的整體數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

XP-256 聲學(xué)中的多普勒頻移剖面脈沖流速儀主要是用于利用流體聲學(xué)中的多普勒頻移效應(yīng)對(duì)水進(jìn)行流速測(cè)流的。從被測(cè)設(shè)備的回波換能器中會(huì)發(fā)生一定脈沖頻率的回波脈沖，當(dāng)該回波脈沖信號(hào)碰到水中的一個(gè)發(fā)射脈沖物體（即比如懸浮水中物質(zhì)）后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回波脈沖信號(hào)，該水的回波脈沖信號(hào)被通過(guò)聲學(xué)多普勒脈沖流速儀進(jìn)行接收。懸浮水中物質(zhì)的流會(huì)不伴隨隨著水流而產(chǎn)生漂移，從而對(duì)水產(chǎn)生聲學(xué)多普勒頻移效應(yīng)（這意即一個(gè)回波脈沖信號(hào)在其額定的頻率與水中發(fā)射物體信號(hào)的脈沖頻率之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖頻差），通過(guò)流速測(cè)量脈沖得到的多普勒脈沖頻移信號(hào)可直接得到位于相應(yīng)懸浮點(diǎn)的物體流速[4]。

剖面流速測(cè)量單元以時(shí)間為尺度，采集水中不同的單元頻移，進(jìn)而完成各單元的速度測(cè)量。本儀器最大的剖面流速單元數(shù)為256 層。

2.2 ADCP 測(cè)流儀介紹

RiverPro（瑞譜）型走航式河流ADCP 是美國(guó)TRDI公司最新推出的一款適用于中淺水河流或渠道的智能全自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)集5 波束、智能自適應(yīng)采樣、友好軟件界面、高質(zhì)量技術(shù)服務(wù)支持為一體的測(cè)流系統(tǒng)。

該測(cè)流儀具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）專門用于淺水小河流、渠道流量測(cè)量特殊需求和應(yīng)用的ADCP（水深0.12～25m 范圍）。

（2）為當(dāng)前使用業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用認(rèn)可RioGrande（瑞江）ADCP 用戶提供一個(gè)升級(jí)方案。

（3）波束角20°，使水體底部測(cè)量盲區(qū)更小，實(shí)測(cè)流速范圍更接近河流。

（4）智能全制動(dòng)自適應(yīng)采樣測(cè)量（多種模式，多種單元尺寸同時(shí)進(jìn)行），用戶無(wú)須配置也能確保獲得高精度的流量測(cè)量數(shù)據(jù)。

（5）1200kHz/600kHz（600kHz 的第5 波束能測(cè)量到河底真正的垂直速度，然后校準(zhǔn)回波強(qiáng)度指示值RSSI（Return Signal Strenght Indicator），為其測(cè)量含沙量作參考）。

3 數(shù)據(jù)成果分析

3.1 重復(fù)性分析

由于ADCP 測(cè)流儀僅測(cè)量了五個(gè)數(shù)據(jù)，故對(duì)這五組數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性分析，結(jié)果如圖1 所示。

ADCP 數(shù)據(jù)結(jié)果整體重復(fù)性較好，偏差均小于0.025m3/s，五個(gè)流量數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為40min 左右，其數(shù)據(jù)結(jié)果整體較為穩(wěn)定，比較均勻得分布在平均值兩側(cè)。

由于XP-256 型測(cè)流儀一共測(cè)量了四組數(shù)據(jù)，故對(duì)這四組數(shù)據(jù)做了四次重復(fù)性分析。

XP-256 數(shù)據(jù)結(jié)果整體重復(fù)性好，偏差均小于0.025m3/s，四組流量數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為40min 左右，其數(shù)據(jù)結(jié)果整體較為穩(wěn)定，比較均勻得分布在平均值兩側(cè)。

3.2 穩(wěn)定性分析

本次數(shù)據(jù)分析中，對(duì)于流量值穩(wěn)定性的評(píng)估采用了較為簡(jiǎn)便的標(biāo)準(zhǔn)差模擬穩(wěn)定性方法。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理。

式中：σ——數(shù)據(jù)穩(wěn)定性模擬值；Ν——數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；μ——算術(shù)平均值。

經(jīng)計(jì)算得出如下數(shù)據(jù)。

經(jīng)計(jì)算，XP-256 型測(cè)流儀測(cè)得的四組數(shù)據(jù)的σ 分別 為 σ1=0.014618、σ2=0.015986、σ3=0.014903、σ4=0.035752。ADCP 測(cè)流儀的σ=0.321026。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在穩(wěn)定性上，XP-256 型測(cè)流儀輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更好。但由于上面的模擬值并未考慮到時(shí)間因素的影響，故本文對(duì)兩款測(cè)流儀進(jìn)行了流量-時(shí)間的圖像模擬。

XP-256 型測(cè)流儀測(cè)量時(shí)間為11：33：02-12：06：32，總歷時(shí)1830s；ADCP 測(cè)流儀測(cè)量時(shí)間為10：42：53-11：22：08，總歷時(shí)2355s。將二者的時(shí)間-流量關(guān)系曲線刻畫在同一坐標(biāo)系下，如圖3 所示。

圖中深灰色圓圈曲線是XP-256 型測(cè)流儀實(shí)測(cè)流量，黑色圓圈曲線是ADCP 測(cè)流儀實(shí)測(cè)流量?？梢悦黠@看出深灰色圓圈曲線穩(wěn)定性明顯優(yōu)于黑色圓圈曲線。但二者并非同時(shí)進(jìn)行的流量測(cè)量，在咨詢上游閘門管理單位工作人員后知，當(dāng)日閘門開(kāi)度在測(cè)量時(shí)段無(wú)變化，但仍然會(huì)受到流速等影響，導(dǎo)致下游水位變化。二者在穩(wěn)定性上均表現(xiàn)出較為不錯(cuò)的結(jié)果，但并不能因XP-256 型測(cè)流儀在穩(wěn)定性模擬值及時(shí)間-流量關(guān)系上表現(xiàn)優(yōu)于ADCP 測(cè)流儀，就斷定XP-256 型測(cè)流儀在穩(wěn)定性上一定優(yōu)于ADCP 測(cè)流儀。

4 結(jié)語(yǔ)

XP-256 型測(cè)流儀和ADCP 測(cè)流儀在穩(wěn)定性和重復(fù)性上均表現(xiàn)不錯(cuò)，輸出的數(shù)據(jù)良好。XP-256 型測(cè)流儀作為一款新設(shè)備，在與目前較為成熟的ADCP 測(cè)流儀比對(duì)時(shí)，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性上均能做到與ADCP測(cè)流儀相媲美甚至有優(yōu)于ADCP 測(cè)流儀的趨勢(shì)。這兩種測(cè)流方式均可以向北京市其他地區(qū)推廣[5]。