流量測(cè)量計(jì)量設(shè)備是保證工程運(yùn)行管理和供水計(jì)量收費(fèi)的重要設(shè)施, 不但可以對(duì)渠道過水量實(shí)施自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控, 全面掌控渠道過水流量動(dòng)態(tài)變化, 而且還將為核算各供水戶的供水量及水費(fèi)收繳提供基礎(chǔ)。故為保證流量的計(jì)量, 需對(duì)總干渠各控制閘流量計(jì)進(jìn)行比測(cè)和率定, 并根據(jù)渠道實(shí)際特征及運(yùn)行情況, 進(jìn)一步提出優(yōu)化渠道流量計(jì)的率定方案。

  由于南水北調(diào)中線干線工程輸水調(diào)度復(fù)雜、難度大, 無(wú)法在同一斷面處短時(shí)間內(nèi)調(diào)控出滿足試驗(yàn)需求的各個(gè)量級(jí)流量。因此, 在現(xiàn)行調(diào)度情況下, 沿途選擇流量分別為高、中、低流量級(jí)的3處控制閘作為試驗(yàn)斷面 (以下簡(jiǎn)稱A、B、C斷面) , 選擇試驗(yàn)斷面水流平穩(wěn), 無(wú)旋渦、回流、死水等現(xiàn)象, 保證試驗(yàn)成果分析可靠, 為率定工作順利開展奠定基礎(chǔ)。

  流量計(jì)率定以流速儀精測(cè)法為主, 運(yùn)用多垂線、多測(cè)點(diǎn)、多種儀器進(jìn)行流速 (流量) 測(cè)驗(yàn), 即采用ADCP垂線法平均流速測(cè)定、走航式ADCP流量測(cè)定及流量計(jì)流量測(cè)定等方法, 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)驗(yàn)誤差分析, 通過測(cè)驗(yàn)成果對(duì)比分析, 確定***佳的測(cè)驗(yàn)儀器和測(cè)驗(yàn)方法。

  試驗(yàn)所選測(cè)驗(yàn)方法中, 流速儀垂線平均流速與ADCP法垂線平均流速、走航式ADCP流量與流速儀流量、走航式ADCP流量與流量計(jì)流量、流速儀流量與流量計(jì)流量等關(guān)系均為線性關(guān)系, 因此模型選用直線相關(guān)關(guān)系, 并采用***小二乘法進(jìn)行關(guān)系曲線擬合。其擬合公式如下:

  式中:y為因變量 (流速儀垂線平均流速、流速儀流量、流量計(jì)流量) ;x為自變量 (ADCP法垂線平均流速、走航式ADCP流量、流速儀流量) ;a為系數(shù)。

  學(xué)生氏檢驗(yàn) (t檢驗(yàn)) :判斷兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠合并定線。

  式中:t為統(tǒng)計(jì)量;xi1為組測(cè)點(diǎn)相對(duì)關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值;xi2為第二組測(cè)點(diǎn)相對(duì)關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值;分別為組、第二組測(cè)點(diǎn)平均相對(duì)偏離值;n1、n2分別為組、第二組測(cè)點(diǎn)數(shù)量;分別為組第二組樣本總體均值。當(dāng), 且曲線間***大偏差<4%時(shí), 可合并定線。

  走航式ADCP流量與流速儀流量對(duì)比分析中, 在A、B、C斷面處分別進(jìn)行多次流速儀流量及測(cè)流期間進(jìn)行多次走航式ADCP流量對(duì)比測(cè)驗(yàn), 由點(diǎn)據(jù)點(diǎn)繪可以看出A、B、C試驗(yàn)斷面流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)集中呈明顯一致帶狀分布, 并根據(jù)學(xué)生氏檢驗(yàn), 結(jié)果見表1。判定A、B、C斷面試驗(yàn)數(shù)據(jù)可做為同一總體的不同樣本進(jìn)行合并定線、分析。

  符號(hào)檢驗(yàn):檢驗(yàn)所定關(guān)系曲線兩側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)目均衡分布的合理性。

  式中:為統(tǒng)計(jì)量;為測(cè)點(diǎn)總數(shù);為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)。當(dāng)u小于規(guī)定的顯著性水平時(shí), 則可接受檢驗(yàn)結(jié)果。各測(cè)驗(yàn)方法關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

  適線檢驗(yàn):檢驗(yàn)所定關(guān)系曲線各測(cè)點(diǎn)偏離關(guān)系曲線正負(fù)符號(hào)的排序情況。

  式中:u為統(tǒng)計(jì)量;n為測(cè)點(diǎn)總數(shù);k為變換符號(hào)次數(shù), k<0.5 (n-1) 時(shí)作檢驗(yàn), 否則不作此檢驗(yàn)。當(dāng)u小于規(guī)定的顯著性水平u1-a時(shí), 則可接受檢驗(yàn)結(jié)果。各檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

  偏離數(shù)值檢驗(yàn):檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線間的平均偏離情況。

  通過上述各測(cè)驗(yàn)方法關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果可知, 各試驗(yàn)斷面所定關(guān)系曲線合理, 且具有較好的代表性, 符合定線要求。

根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型, 按照《水文資料整編規(guī)范》 (SL247-2012) 和《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》 (GB50179-2015) 的規(guī)定進(jìn)行擬合曲線偏離標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度計(jì)算, 檢驗(yàn)所擬定的關(guān)系曲線是否符合規(guī)范要求。

  標(biāo)準(zhǔn)差是衡量實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)與關(guān)系曲線偏差情況的重要指標(biāo)。

  式中:Se為關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差;Qi為第i次實(shí)測(cè)流量值;Qci與第i次實(shí)測(cè)流量值相應(yīng)的關(guān)系曲線上的流量;n為參與計(jì)算的實(shí)測(cè)流量總個(gè)數(shù)。

  根據(jù)流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范, 對(duì)于流量測(cè)驗(yàn)中存在的隨機(jī)誤差, 應(yīng)按正態(tài)分布, 采用置信水位為95%的隨機(jī)不確定度描述。

  式中:為xq為置信水平為95%的隨機(jī)不確定度, %;Se為所定關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差。

  當(dāng)實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)與關(guān)系線無(wú)明顯系統(tǒng)偏離時(shí), 測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的系統(tǒng)誤差可采用測(cè)點(diǎn)對(duì)關(guān)系線相對(duì)誤差的均值。

  式中:n為系統(tǒng)誤差;Qi為第i次實(shí)測(cè)流量值;Qci與第i次實(shí)測(cè)流量值相應(yīng)的關(guān)系曲線上的流量;n為參與計(jì)算的實(shí)測(cè)流量的總個(gè)數(shù)。

  通過對(duì)上述擬定關(guān)系曲線的不確定度計(jì)算, 結(jié)果見表5。表中可以看出擬定的兩點(diǎn)法~多點(diǎn)法垂線平均流速關(guān)系曲線、流速儀法~ADCP法垂線平均流速關(guān)系曲線、走航式ADCP流量~流速儀流量關(guān)系曲線、走航式ADCP流量~流量計(jì)流量關(guān)系曲線、流速儀~流量計(jì)流量關(guān)系曲線均滿足系統(tǒng)誤差及隨機(jī)不確定度的要求。

  由上述節(jié)制閘試驗(yàn)斷面各擬合關(guān)系曲線檢驗(yàn)和不確定度的計(jì)算分析可以得到, 各回歸直線對(duì)觀測(cè)值擬合程度較好, 故2點(diǎn)法垂線平均流速可代表多點(diǎn)法垂線平均流速、ADCP法垂線平均流速可用以推求流速儀法垂線平均流速、走航式ADCP流量及流速儀流量可進(jìn)行流量計(jì)流量率定、同時(shí)走航式ADCP流量經(jīng)換算后, 可代替流速儀流量進(jìn)行流量計(jì)率定。

  由于南水北調(diào)中線干線工程輸水渠道沿途距離長(zhǎng), 途中節(jié)制閘、分水閘、退水閘等數(shù)量較多, 故在實(shí)際運(yùn)行過程中受節(jié)制閘、分水閘調(diào)度以及橋梁等影響, 節(jié)制閘下泄水流長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定較為困難。根據(jù)統(tǒng)計(jì)A斷面各時(shí)段流量計(jì)流量的平均值、***大、***小值, 可以看出由于長(zhǎng)歷時(shí)測(cè)流期間, 流量波動(dòng)較大。因此采用流速儀~ADCP法垂線平均流速擬合關(guān)系曲線及流速儀流量率定流量計(jì)流量較難取得很好效果。

  而在進(jìn)行走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)時(shí), 可通過設(shè)置過河纜索懸吊ADCP進(jìn)行, 以減小因水流、航速、航向等因素對(duì)測(cè)驗(yàn)精度的影響, 同時(shí)ADCP能直接測(cè)出斷面的流速剖面, 具有采樣速率高、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)速范圍大等優(yōu)點(diǎn), 更適用于南水北調(diào)中線干線工程節(jié)制閘下泄水流運(yùn)行特征, 且通過上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析, 走航式ADCP流量~流量計(jì)流量關(guān)系曲線擬合較好, 已通過各種檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度的要求, 從而能夠較好的完成渠道的流量計(jì)率定工作。

  通過對(duì)上述各率定測(cè)驗(yàn)方法的對(duì)比分析, 并在充分考慮南水北調(diào)中線干線工程輸水渠道特征及實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合ADCP測(cè)流儀具有采樣速率高、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短等優(yōu)點(diǎn), 選用走航式ADCP流量可以優(yōu)化傳統(tǒng)流速儀流量, 用于率定流量計(jì)流量。