华北某灌区取水计量设施参数率定研究

单志学 钟金鸣

华北某水库属于凉温带半湿润半干旱大陆性季风气候，冬季漫长，寒冷少雪，春季多风，干燥少雨，夏季炎热，雨量集中，常造成洪涝灾害，少数年份又产生伏旱，全年日照2900h，无霜期110～145d，年积温2700℃～3500℃，年干旱指数介于1.6～1.7 之间，由11 月中旬开始封冻，至次年4 月上旬解冻，封冻期120～150d，土地冻结深度为1～1.5m。 灌区所在地年平均降雨量520mm，分布自北向南由450～550mm，年内分布较不平衡，汛期6-9 月份，降水量占全年80%左右，而6-7 月份，局部易发生短历时高强度暴雨，常发生洪水灾害，12 月至次年2 月降水仅占总量的15%，年际变化差异较大，年最大与最小雨量相差2～3 倍，多年平均水资源量为2.2 亿m3。

灌区3 个典型分渠渠首远程在线计量监控断面分别为：东风号、东风三号渠、后街渠进行水位、流速和流量的人工监测。在监测结果的基础上，分析不同水位情况下，监测断面水面流速和断面平均流速的关系，人工观测水位与在线水位数值的偏差大小，人工监测流量与在线计量流量之间的偏差。

1.灌区概况

灌区位于承德市北部山区，地处东经117°03′～118°09′，北纬40°52′～42°52′之间，灌区涉及围场、隆化、滦平、双滦区三县一区，辖11 个乡（镇）90个行政村和2 个国营农、林场。灌区以某水库为水源，伊逊河行洪河道为输水总干渠。灌区属于凉温带半湿润半干旱大陆性季风气候，冬季漫长，寒冷少雪，春季多风，干燥少雨，夏季炎热，雨量集中，常造成洪涝灾害，少数年份又产生伏旱，全年日照2900h，无霜期110～145d，年积温2700℃～3500℃，年干旱指数介于1.6～1.7 之间，由11 月中旬开始封冻，至次年4 月上旬解冻，封冻期120～150d，土地冻结深度为1～1.5m。

确定的监测点为水库灌区的3 个典型分渠渠首，均为明渠标准段固定测站。渠道计量模式为明渠标准段固定测站计量设施，设备名称为高精度明渠雷达水位计、双网段远程测控终端、高精度明渠雷达流速仪，设备型号为XHGY-6909、LMKJ-SW-V1.0、GPXLFSOC-03。

2.测量原理

通过监测标准渠段某断面处的有效水深和水面流速，由断面平均流速和有效水深计算断面过流水量，称作明渠标准渠断面流速法。

明渠标准断面流速法：要求明渠标准段顺直段长度大于30m，渠段规整，采用混凝土或浆砌石衬砌，下游分水口或节制闸对断面处的水流影响较小，水流平稳，在渠段内选择一处标准断面，采用测点断面处的水深和表面流速，采用过流断面处的水流平均流速和有效水深，计算渠段断面的过流水量。渠道断面过流水量的计算公式：

式中：

Q—断面流量，m3/s；

k—流速系数，即表面流速与断面平均流速之比，需要实际率定；

V表面—渠道断面处的水流表面流速，m/s；

B上口、B下口—渠道断面上口、下口宽度，m；

H有效—渠道断面处的有效水深，m，即：水面高度减去基准点高度。

因此，渠道断面处的过流量：

明渠标准段量水采用断面流量法，用水位和理论公式或水位—流量曲线，推算过流断面的流量。

3.监测方案

3.1 监测点断面勘查

对断面经纬度进行现场定位，对监测断面找到合适位置进行设置临时水准点，测量水面与自动水位计探头之间的高差，与水位计测的水位比较，计算水尺零点高程，并校核一次。采用水准仪结合钢尺对监测断面的上边，底边，两个斜边的长度进行测量，绘制断面图进行编号，绘制水位面积关系曲线或推算水位面积公式。考虑监测断面的实际情况，在远传水位计的监测断面设置人工监测水位断面。

3.2 监测方法

将观测设备垂直放置于明渠标准段水槽的底面，读取水面截于观测设备的读数，每次观读不少于2 次，取其平均值与假定（绝对）基面高程的代数和作为观测水位。此项目水位比测工作在明渠标准段固定测站输水时的高、中、低水位级分别开展。

4.监测结果及关系拟合

图1 东风号渠道断面图及水位-累计面积曲线图

图2 东风号人工实测断面流量与仪器自动测流断面流量相关关系

图3 东风三号人工实测断面流量与仪器自动测流断面流量相关关系

4.1 断面测量

渠道的大断面主要是指垂直于水流方向的渠道横断面，所涉及渠道主要用于引水、灌溉等，根据水文测量相关规范要求，进行渠道断面的测量，此文中主要为梯形断面。

东风号断面位于张三营镇东风村狗窝；东风三号渠断面位置，位于张三营镇东风村5 组道口；后街渠，位于张三营镇后街村北关大地。

以自动监测设备自动水位计所在断面为测量断面，对渠道断面底部高程进行测量，同时绘制断面图、断面水位面积累计曲线图，见图1 所示。

4.2 相关关系拟合

对人工实测流量与仪器自动断面流量建立相关关系，经过分析，两者存在较高相关度。见图2、图3。

对人工实测流量与仪器自动水位建立水位流量关系，采用二次多项式对水位流量关系进行拟合，拟合的函数供参考。

4.3 结果分析

通过对渠首自动监测断面水位进行人工测量，并对人工测量水位与仪器自动测量的水位精度进行比较，结果表明，仪器设备测量的水位十分精准。采用流速仪人工涉水测流方式对高中低3 个水位级的渠道断面流量进行人工测量，并对人工实测流量与仪器自动断面流量进行比较。结果表明，仪器设备测量的流量与人工测量流量相差比较大，低水水位，流量相差较大，中、高水位，流量相差较小。对人工实测流量与仪器自动水位建立水位流量关系，采用二次多项式对水位流量关系进行拟合，东风号、东风三号、后街渠拟合的函数关系分别为：y=0.1683x2 + 1.426x -0.1213、y=- 27x2 + 42.81x - 16.459、y=0.0586x2+1.677x-0.6108 供参考。采用流速仪人工涉水测流方式对高中低3个水位级的渠道断面流量进行人工测量，并对人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速比较。结果表明，仪器监测水面流速与人工实测断面平均流速相差比较大，低水水位，流速相差较大，中、高水位，流速相差较小。对人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速建立相关关系，经过分析两者存在较高相关度，东风号、东风三号、后街渠的R2值分别为：0.9225、0.9826、0.8152。人工实测断面平均流速与仪器监测水面流速关系是个直线函数，东风号、东风三号、后街渠的函数关系分别为：y=2.6937x-1.4875、y=1.8895x-0.6534、y=2.9273x-1.229。通过分析，雷达流速仪在低水时流速流量都偏大，其中流速偏大严重，并且雷达流速仪在渠道流速较小时精度比较低，通过人工监测数据和自动计量数据对比，对于改进自动计量系统各项计算参数，提高引水口的取用水量的计量精度具有重要作用，有助于合理用水、科学计量工作的开展。