南水北調東線工程宜陵北閘流量測驗分析

李江艷 王 成 王 江

（江蘇省江都水利工程管理處 揚州 225200）

1 引言

南水北調工程是著名的跨流域調水工程，是我國水資源優化配置，解決華北、北方地區缺水的一項戰略性基礎設施工程。南水北調東線工程是我國南水北調總體布局中的重要組成部分，一期江蘇境內工程共設9個梯級泵站，調水線路總長約800km，調水總量500m3/s。正常情況下由三江營引水，經夾江、芒稻河輸水至江都西閘進入新通揚運河，經江都站抽水入里運河北送，另經江都東閘送水到宜陵，自宜陵向北由三陽河、潼河向寶應站送水。在長江低潮位時，利用高港泵站由泰州引江河向三陽河補水，以滿足調水需求。

在工程運行過程中，準確地掌握河道水位、流量變化情況，為工程進一步完善和正式通水提供基礎數據、優化水量調度方案，是必須解決的問題之一。宜陵北閘是南水北調輸水干線三陽河上輸水控制工程之一，對其進行流量測驗也是南水北調水量監測中重要的一環。

2 流量測驗方法分析對比

流量測驗是水文工作的主要任務之一，在水文測驗中占有非常重要的位置。目前國內外采用的流量測驗方法和手段很多，如流速面積法、水力學法、直接法等，應用最廣泛、最普遍的方法是流速面積法。其中流速儀法被認為是精度較高的方法，目前普遍以此方法作為檢驗其他方測驗精度的依據。

2.1 流速儀法

河流橫斷面上的流速分布是不均勻的，隨水平及垂直方向的位置不同而變化，即它是水深和水面寬的函數。測流時，假定將斷面流量垂直切割成許多平行的小塊，每一塊成為一個部分流量，在各個測速垂線上測深、測速、并測定起點距，即可計算出部分流量，所有部分流量累加，即得到全斷面的流量。

2.2 走航式ADCP法

走航式聲學多普勒流速剖面儀法（即ADCP法）是利用聲學多普勒原理來測量水流速度，其流量測量原理和流速儀法測流原理是一樣的，都屬于流速面積法。由于振源與觀察者之間的相對運動而產生的接收信號相對于振源頻率的頻移現象被稱為多普勒效應，測出此頻移就能測出物體的運動速度。ADCP就是通過測量得到聲學多普勒頻移從而得到相應測點的流速。

2.3 流量測驗方法的對比分析

2.3.1相同點

流速儀法和走航式ADCP法同屬于流速面積法，其流量測驗的基本原理一樣，都是以多條測速垂線將測流斷面劃分為若干個子斷面，在每條測速垂線處測量水深并測量多點的流速，計算垂線平均流速，結合水深、水面寬等數據，分別計算每個子斷面的流量，累積得到斷面總流量。

2.3.2不同點

（1）流速測量。流速儀法測速時，儀器必須置于水體某一預定點測量且儀器必須控制一定的測速歷時以減少流速脈動引起的誤差，屬于靜態方法。ADCP測速時儀器可以在運動狀態下同時測量多個不同位置的流速且儀器在短時間內收集大量數據，通過大量數據的平均值減少流速脈動引起的誤差，屬于動態方法。

（2）流量計算。流速儀法以測速垂線劃分子斷面，測量垂線測點流速計算垂線平均流速，再計算子斷面的流量。ADCP劃分的子斷面的數量遠比流速儀的多，且在每個子斷面劃分很多的水流層，通過累加不同水流層的流量得到子斷面的流量。

（3）測流方案的選擇。流速儀法測流前，需嚴格按照規范要求制定測量方案，并根據水位變化情況選擇測流時機。ADCP法則相對簡單，僅需根據斷面的情況、測驗要求等設置ADCP的有關參數即可實施測量，且不受水位變化情況的影響。

（4）斷面布設。流速儀測流斷面應嚴格按照規范要求布設，ADCP的測量斷面可以是設定好的，也可以是隨機選定的。

（5）安裝和懸掛設備。流速儀法需要根據安裝方式選擇使用的懸索、纜道、絞車等所需要的設施。ADCP通常安裝在船舷一側或者穿透船體的井中，也可安裝在專用的遙測船上。

（6）操作人員要求。流速儀法操作簡單，使用者容易掌握，易于上手。ADCP及其軟件相對比較復雜，使用者需經過正式的ADCP流量測量技術培訓方可操作。

通過上述的對比分析可知，流速儀法自動化程度低，測流歷時長，已越來越不能滿足水文測驗現代化、水文信息化的要求，而ADCP法自動化程度高，測流快，體現了水文測驗現代化水平，已有越來越多的測站選擇走航式ADCP作為測驗儀器。

3 監測方案

水文測驗應嚴格按照規范的要求進行，以保證測驗的精度。此次監測方案的制定、測驗的實施嚴格按照規范的要求進行。

3.1 工程概況

宜陵北閘（簡稱宜北閘）位于江都區宜陵鎮北三陽河與新通揚運河交匯處的三陽河上，于1974年11月開工興建，1975年9月竣工并投入運行。宜陵北閘共7孔，每孔凈寬6.0m，閘底板高程-5.00m，設計流量300m3/s。由于年久失修，宜陵北閘已不能滿足東線輸水的要求，2013年9月開工進行加固改造，2015年7月竣工驗收。改造后的宜陵北閘測驗河段順直，長2km，最大河寬110m，河段為人工開挖，兩岸塊石護坡，河床穩定，土質為粘壤土，受人類活動影響較小。

3.2 斷面布設

宜陵北閘由于沒有水文觀測設施，因此必須布設水位、流量監測斷面，進而進行流量測驗。斷面布設應遵循以下原則：（1）能控制區段內的水位、流量變化，監測到全部水量，無漏測、重測；（2）盡量選擇在水流條件較好的斷面，避開水流異常紊動的影響；（3）斷面兩岸應平坦、無障礙物，地形條件便于儀器設備安裝調試；（4）有利于水量與水質結合分析。根據上述原則，結合因此將水位斷面布設在閘下300m，流速儀測流斷面布設在閘下200m。

3.3 監測方案

水文觀測設備可供選擇的有搪瓷水尺、浮子水位計、雷達水位計、超聲波水位計等，目前普遍采用的水文觀測設備有直立式搪瓷水尺、日記型自記水位計和遙測水位計，后兩者同屬浮子式水位計，也是此次水位監測采用的水位計。

根據前文的介紹及對比分析可知，流速儀作為流量測驗的常規儀器設備，其優勢自不必說，走航式ADCP作為新設備，目前在我國各大流域應用廣泛，大量的比測資料驗證了其精度的可靠性，故可選這兩種方法進行此次流量測驗，但流速儀法測驗所需的人員多，歷時長，工作強度大，而ADCP測驗人員少，測流快，工作強度低，考慮到宜陵北閘地處偏遠，交通不便，因此選擇ADCP作為第一測流方案，流速儀法作為備用方案。

3.4 測驗精度的控制措施

圖1 宜陵北閘水位流量過程線圖

影響走航式ADCP測量精度的因素很多，為將每測回流量值與均值的誤差控制在±5%以內，采取的措施包括采用含30個脈沖的數據組的平均值；選取合適的冪函數流速剖面公式來外推盲區的流速、流量；在測量過程中嚴格控制船速；采用木船測量；測流斷面沿鋼絲繩運行，以保證船行軌跡的穩定等。

4 監測成果分析

按照制定的測驗方案，宜陵北閘進行了48次流量測驗，單次流量測驗誤差最大為4.1%，最小為0，均值為0.4%，測量精度完全符合聲學多普勒流量測驗規范要求。

監測宜陵北閘流量、水位，可以分析三潼寶線水位變化過程，為南水北調東線工程調度提供依據。以試通水期間三潼寶沿線送水分析為例進行說明。

圖1為宜陵北閘實測水位流量過程線圖，由圖可見，在試通水期間，受長江潮位影響，其下游水位變幅為1.09～1.61m，流量變幅為－31.0～158m3/s。出現小流量、負流量的日期為江都東閘關閉，停止引水。在正式通水期間，其流量均在100m3/s以上。

圖2 試通水期間三潼寶線水位過程線圖

圖2為試通水期間三潼寶線水位過程線圖。由圖可見，除5月26～28日這3天外，三潼寶線沿程水位是宜陵北閘高于三垛，三垛高于寶應站下。沿程水位大比降出現在上段。

5 結語

合適的測驗方法、先進的測驗儀器是獲得高精度的流量數據、保證測驗安全的重要手段。流量測驗方法、手段多種多樣，應根據河流水情變化的特點，采用經濟、有效、精度較高的方法進行流量測驗。本文在研究流量測驗原理的基礎上，分析各流量測驗方法的優缺點，制定合理的水量監測方案，測得了準確的流量數據，為工程調度運行、水量控制等提供了依據。

流量測驗是水文工作的重中之重，研究流量測驗方法、采用先進的測驗技術、制定合理的監測方案是水文工作的重心。本文對各種流量測驗方法及原理進行了詳實全面的分析，具有較好的參考價值。但是影響ADCP測流的因素很多，而由于測流次數少，資料不足，無法進行走航式ADCP測流結果的誤差分析，今后必須加強測驗，從而進行誤差分析