鳳凰頸排灌站自動流量比測率定分析

秦海斌,李 偉

（蕪湖水文與水資源局,安徽 蕪湖 238300）

1 概況

1.1 鳳凰頸排灌站基本情況

鳳凰頸排灌站是巢湖流域綜合治理的骨干工程,共有閘門48 孔（上下各24 孔）,孔寬3.3 m,低孔高3.68 m～4.20 m,高孔高3.22 m～3.76 m,閘底高程-3.80 m,“X”型雙向流道設(shè)計。安裝葉輪直徑3.10 m 的軸流泵6 臺,配套同步電機(jī)6 臺總裝機(jī)容量1.48 萬kW。設(shè)計機(jī)排流量240 m3/s,機(jī)引灌溉流量200 m3/s,自流排灌均為380 m3/s。排灌站上游250 m 處攔污物橋一座。

鳳凰頸排灌站運行有三種情況,自流、機(jī)排、機(jī)灌。自流時不開抽排機(jī)組,河水根據(jù)長江和西河水位高低自由流動；機(jī)排時西河水位低于長江水位,開啟抽水機(jī)組將內(nèi)河水抽排至長江；機(jī)灌時長江水位低于西河水位,開啟抽水機(jī)組將長江水抽灌至西河。

1.2 水文站基本情況

鳳凰頸排灌站水文站位于排灌站上游400 m,該站是二類精度國家重要水文站。主要監(jiān)測西河與長江自然以及機(jī)灌、機(jī)排等工況條件下水量交換情況,該站與鳳凰頸閘、裕溪閘、銅城（新橋）閘共同控制整個巢湖流域進(jìn)出口水量,共同控制流域面積12940 km2。實測最高水位為12.79 m（2020年7 月19 日）,最大流量為340 m3/s（2000年6 月3 日）,最大負(fù)流量為-405 m3/s（2000年7 月25 日）。

水文站斷面所在河段連接西河與長江,是一段長度約4.6 km 的人工開挖河道,最大河寬約160 m,河道順直,河底高程約9.10 m,斷面上游3 km 與西河連接（測驗河段為西河與長江之間的引河）,斷面下游1.6 km 處為長江。兩岸有圩堤控制,左右岸邊有水草生長,斷面呈“U”型,河床基本為粘土,斷面穩(wěn)定。因排灌站工況復(fù)雜,水位流量關(guān)系紊亂,目前一直采用連實測流量過程線法進(jìn)行測次布置和資料整編。

2 自動測流系統(tǒng)情況

2.1 測流原理

ADCP 是利用聲學(xué)多普勒頻移效應(yīng)進(jìn)行流速或流量測驗的測驗系統(tǒng)。水平式ADCP 是將儀器探頭安裝在測流斷面一側(cè)水下某一高程處,沿斷面的方向測驗一層多個起點距位置（單元）的流速。坐底式ADCP 是將儀器探頭安裝在測流斷面河底,沿水面方向測驗一條垂線多個高程位置（單元）的流速。通過上述設(shè)備獲得的水平或垂向流速數(shù)據(jù)作為斷面代表流速與全斷面的平均流速建立相關(guān)關(guān)系,用實時的水位和水文站實測的大斷面數(shù)據(jù)計算出面積,用代表流速推求斷面流量后,采用連流量過程線法推求水量。

2.2 水平式ADCP 情況

本站采用的水平式ADCP 儀器探頭為美國LINKQUEST公司Flowscout600,通過對歷史實測流量垂線流速分布情況進(jìn)行分析,儀器安裝在起點距為46.0 m,高程為6.77 m 處,儀器波速角為1.4°,可監(jiān)測到120 m 距離范圍內(nèi)的水平流速情況（見圖1）。

圖1 水平式ADCP 安裝示意圖

2.3 坐底式ADCP 情況

本站坐底式ADCP 采用兩個美國LINKQUEST 公司Flowscout2000,通過對歷史實測流量垂線流速分布代表性等情況進(jìn)行分析,儀器安裝起點距分別為58.0 m 和100.0 m,因本站歷史最大水深為9.25 m,兩套儀器均能監(jiān)測到自水面到探頭位置的垂線流速情況（見圖2）。

圖2 坐底式ADCP 安裝示意圖

3 數(shù)據(jù)整理及資料分析

鳳凰頸排灌站負(fù)流量（長江抽引水）資料來自2019年5 月底至11 月的3 次機(jī)灌流量過程,水文站共實測流量31 次,兩套自動流量監(jiān)測系統(tǒng)每分鐘均實測一次流量。水文站實測成果中采用走航式ADCP 施測12 次,采用水文纜道流速儀多線兩點法（0.2、0.8 相對水深）施測17 次,多線一點法（0.6相對水深）施測2 次。正流量資料來自2020年6 月至9 月的3 次機(jī)排流量過程,采用水文纜道流速儀共實測流量38 次,其中采用多線兩點法施測23 次,采用多線一點法施測15 次。本文通過水文站實測整編成果與兩種自動流量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析,其一分析自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性,其二分析自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.1 水平式ADCP 關(guān)系率定

通過水平式ADCP 實測流速數(shù)據(jù)與水文站實測流量平均流速數(shù)據(jù)進(jìn)行比測,擬定代表流速關(guān)系曲線公式為V實=1.083×Vcp,為水平式ADCP 監(jiān)測流速數(shù)據(jù)。經(jīng)檢驗分析,系數(shù)線標(biāo)準(zhǔn)差為8.5%,系統(tǒng)誤差0.1%（見圖3）。

圖3 水平式ADCP 平均流速與實測流速關(guān)系曲線

3.2 坐底式ADCP 關(guān)系率定

通過坐底ADCP 實測流速數(shù)據(jù)與水文站實測流量平均流速數(shù)據(jù)進(jìn)行比測,擬定負(fù)流量代表流速關(guān)系曲線公式為V實=0.954×Vcp,為兩臺坐底式ADCP 監(jiān)測流速數(shù)據(jù)均值。經(jīng)檢驗分析,系數(shù)線標(biāo)準(zhǔn)差為6.0%,系統(tǒng)誤差0.6%。正流量實測平均流速與在線平均流速關(guān)系曲公式為V實=0.989×Vcp,經(jīng)分析系數(shù)線標(biāo)準(zhǔn)差為3.4%,系統(tǒng)誤差為0.0%（見圖4、圖5）。

圖4 負(fù)流量坐底式ADCP 平均流速與實測流速關(guān)系曲線

圖5 正流量坐底式ADCP 平均流速與實測流速關(guān)系曲線

3.3 實測整編成果

3.3.1 2019年負(fù)流量整編成果對比分析

水文站根據(jù)實測流量數(shù)據(jù)和泵站開關(guān)機(jī)情況,采用連實測流量過程線法對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行整編。根據(jù)整編成果,共有7 月30 日17∶30～8 月9 日15∶12、8 月12 日9∶27～8 月26 日14∶42 和10 月25 日17:06～11 月2 日16∶06 三個機(jī)灌流量時段。水平式ADCP、坐底式ADCP 采用代表流速乘以斷面面積得到流量后,采用連實測流量過程線法進(jìn)行整編,成果見表1,流量過程線見圖6～圖8。

表1 整編成果對照表

圖6 第一時段實測流量過程線圖

圖7 第二時段實測流量過程線圖

圖8 第三時段實測流量過程線圖

3.3.2 2020年正流量整編成果對比分析

水文站根據(jù)實測流量數(shù)據(jù)和泵站開關(guān)機(jī)情況,采用連實測流量過程線法對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行整編。根據(jù)整編成果共有6 月14 日8∶40～6 月17 日13∶50、6 月21 日15∶00～7 月3 日10∶07、7 月4 日10∶00～9 月1 日0∶00 三個流量時段。坐底式ADCP 采用平均流速乘以斷面面積得到流量后,采用連實測流量過程線法進(jìn)行整編,成果見表2,流量過程線見圖9～圖11。

表2 整編成果對照表

圖9 第一時段實測流量過程線圖

圖10 第二時段實測流量過程線圖

圖11 第三時段實測流量過程線圖

3.4 誤差評定

水平式ADCP 代表流速與實測流量平均流速系數(shù)為1.083,關(guān)系線系統(tǒng)誤差0.1%,標(biāo)準(zhǔn)差8.5%；坐底式ADCP 負(fù)流量代表流速與實測流量平均流速系數(shù)為0.954,關(guān)系線系統(tǒng)誤差0.6%,標(biāo)準(zhǔn)差6.0%。坐底式ADCP 正流量系數(shù)為0.989,關(guān)系線系統(tǒng)誤差0.0%,標(biāo)準(zhǔn)差6.8%。其中坐底式ADCP 誤差基本滿足資料整編規(guī)范要求。

負(fù)流量比測時段水文站實測流量極值-350 m3/s；水平式ADCP 實測流量極值-376 m3/s,誤差26.0 m3/s；坐底式ADCP 實測流量極值-367 m3/s,誤差17.0 m3/s。從水量上看,第一時段水平式ADCP 水量誤差3.68%,坐底式ADCP 水量誤差3.78%；第二時段水平式ADCP 水量誤差4.50%,坐底式ADCP 水量誤差4.08%；第三時段水平式ADCP 水量誤差8.94%,坐底式ADCP 水量誤差14.06%。三個時段水量累計,水平式ADCP 總水量誤差4.93%；坐底式ADCP 總水量誤差5.70%。

正流量比測時段水文站實測流量極值263 m3/s,坐底式ADCP 實測流量極值295 m3/s,誤差32 m3/s。從水量上看,第一時段坐底式ADCP 水量誤差3.61%；第二時段坐底式ADCP 水量誤差4.52%；第三時段坐底式ADCP 水量誤差2.35%。三個時段水量累計坐底式ADCP 總水量誤差2.78%。

從流量整編成果來看,2020年正流量水文站實測和在線ADCP 整編成果見表3,最大1 日洪量誤差2.68%,最大3 日洪量誤差4.33%,最大7 日洪量誤差4.75%,最大15 日洪量誤差2.32%,最大30 日洪量誤差2.04%,最大60 日洪量誤差2.21%。再從水文站實測和在線ADCP 整編的逐日平均流量來看,2019年水平式ADCP 逐日平均流量誤差小于10%的天數(shù)占77.1%,坐底式ADCP 逐日平均流量誤差小于10%的天數(shù)占82.9%,2020年坐底式ADCP 逐日平均流量誤差小于10%的天數(shù)占96.1%。成果見表4、表5。

表3 2020年正流量洪量對照表

表4 2019年負(fù)流量逐日表對比誤差統(tǒng)計

表5 2020年正流量逐日表對比誤差統(tǒng)計

4 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)鳳凰頸排灌站水平式、坐底式ADCP 自動流量監(jiān)測系統(tǒng)的比測分析評價認(rèn)為,可以采用坐底式ADCP 為280 m3/s～-350 m3/s 區(qū)間范圍內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編,每年水文站施測3～5 次進(jìn)行關(guān)系曲線驗證,水平式ADCP 還需要對儀器安裝位置等進(jìn)行調(diào)整。

（2）自動流量監(jiān)測設(shè)備對閘門、泵站變動更敏感,例如2019年10 月28 日有一次短暫的泵站機(jī)組變化,由于其變化迅速,水文站無法實測流量,但自動監(jiān)測能夠完整反映水量變化過程,其水量的測驗精度優(yōu)于水文站實測。通過自動流量監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出,當(dāng)閘門或泵站發(fā)生變動時,其變動時間從5～30 分鐘不等,與目前整編統(tǒng)一采用的12 分鐘稍有差距,對后期整編數(shù)據(jù)加工有一定指導(dǎo)作用。

（3）從比測分析來看,鳳凰頸排灌站這種閘壩站,人工開挖河道,形狀規(guī)則、斷面變化很小、河寬100 m～150 m、流速不大、漂浮物較少的水文站較適合采用坐底式ADCP 進(jìn)行流量監(jiān)測。