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引黄济青青岛段渠道断面流速测量与分析

2024-09-02 62 上传者：管理员

摘要：论述了采用实时动态测量技术（RTK）和手持式流速仪进行渠道断面流速测量的方法，并结合地理信息系统（GIS）技术进行数据处理和成图，旨在通过对引黄济青青岛段渠道流速和流量的精确测量，更好地评估渠道水文动态，为水资源的合理利用和环境保护以及突发水质安全应急响应提供数据支持，为渠道的运行管理、水资源调配和环境保护提供科学依据。

关键词：
GIS技术
引黄济青工程
水资源管理
流速测量
渠道断面
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引黄济青工程是国家“七五”期间重点工程，主要是为解决青岛市及工程沿途城市用水并兼顾农业灌溉用水、生态补水而投资兴建的山东省大型跨流域、远距离调水工程，对于缓解青岛市水资源短缺、促进地区经济社会发展具有重要作用。

流速和流量是渠道的两个重要水文特征指标，是水量调配、水文预报、水污染监测预警的基础。在洪水和暴雨等自然灾害期间，通过监测河道的流速和流量可以提前预警，采取必要的防灾减灾措施，减少潜在的风险，确保工程安全度汛。

1、研究区域概述

引黄济青青岛段渠道西起青岛市平度市与潍坊市昌邑市交界处，东至青岛市棘洪滩水库，渠道总长度约70 km。本研究选取引黄济青青岛段五里屯生产桥、付家村南生产桥、尹和庄东生产桥、大沽河管理所4处作为测量点，开展断面测绘及流速测量。

2、研究方法

2.1 断面测量

采用实时动态测量技术（RTK）进行断面测量，使用全球导航卫星系统（GNSS）接收机获得地形数据，基于地形数据进行横断面图数据制作。与传统的人工测量相比，拥有精度高、易操作、测量设备便携、测量点之间无须通视等优势。测量过程中，首先进行仪器检验与校准，确保设备在检定或校准的有效期内。根据项目技术要求，结合现场踏勘情况，在综合考虑测区水深、基站GNSS差分信号覆盖情况等因素后进行测线规划。

2.2 流速测量

转子式流速仪是目前应用范围最广的流速测量仪器，主要是通过测定水流经过时产生的水流运动能量驱动的转子转矩估算流速[1]，具有操作灵活方便、适用性强等优点。且引黄济青工程渠道内漂浮物、泥沙等杂质较少，水流较为平缓，流速时间及空间变化较小，转子式流速计能够适用此次流速测验任务[2]。总干、干、分干渠及支、斗、农渠不同水深的测速方法分别见表1、表2。根据《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T21303-2017)[3]《水文测量规范》（SL58-2014)[4]，布设垂线，垂线布设间距见表3。每条垂线多次采点，每次采点用时1 min，取平均值，以确保数据准确性。

表1 总干、干、分干渠不同水深的测速方法

表2 支、斗、农渠不同水深的测速方法

表3 平整断面上不同水面宽的测速垂线布设间距

2.3 数据处理与分析

1)RTK数据分析。测量数据通过专业软件进行处理和分析，包括数据的筛选、校正和合理性检查。将RTK探测的dat文件导入到CASS软件中，绘制成图，并添加框线及断面图信息。利用GIS软件进行数据成图和分析。

2）流速数据分析。以付家村南生产桥站流速测量为例，以渠道水面的一端为起始点，渠道水面高程为11.97 m，经过测量，渠道水面宽度为15.7 m。渠道横截面为倒梯形，渠道底部与两边斜坡岸边的交界点到水面之间，设为两条垂线。参考现场情况，并且根据《灌溉渠道系统量水规范（GB/T21303-2017)》[3]，将水面划分为5条垂线，5条垂线分别为距起始点2.0 m,4.8 m,7.8 m,10.8 m,13.7 m。

用GNSS测量水底高程，得到水底5条垂线的水底高程，分别为10.51 m、9.41 m、9.40 m、9.41 m、10.70 m。根据水面高程和水底高程，得到水深数据。相邻两条垂线之和除以2即为两条垂线间的平均水深。起始点和第一条垂线之间的平均水深为0.73 m。间距乘以平均水深，即为垂线间的部分面积，起始点和第一条垂线之间的部分面积为1.46 m2。渠道横截面总面积为各个部分面积之和，测量的总面积为29.4 m2。根据规范划定垂线上的采样点数量，采用3点法，分别为0.8倍水深，0.6倍水深和0.2倍水深处。

通过测量得出该垂线的3个采样点流速，该垂线的3个采样点流速分别为1.031 m/s,1.004 m/s,0.983 m/s。垂线平均流速为3个采样点的平均值，即1.006 m/s。两条垂线之间的部分平均流速为两条垂线流速取平均值的方法计算。以流速测量中第二条垂线和第三条垂线为例，部分平均流速为0.921 m/s。起始点和终点与相邻的垂线之间的部分平均流速是垂线流速乘以岸边系数，以流速测量中起始点和第一条垂线为例，部分平均流速为0.861m/s乘以岸边系数。因引黄渠道为梯型断面且为水泥结构，取岸边系数0.85。经计算可得总流量为25.7 m3/s，此次测流结果平均流速为0.873 m/s。

3、测量结果与分析

3.1 断面测量及流速测量结果

对胶东调水工程特征断面测量结果表明，胶东调水工程青岛段渠道，渠道断面形状及过流断面面积存在差异性。其中，五里屯生产桥过流断面面积最大，为34.91 m2，大沽河管理所过流断面面积最小，为22.5 m2。流速测量结果显示，渠道流速在不同区段存在显著差异，流速最大值出现在大沽河管理所站点，流速为1.022 m/s，最小值出现在五里屯生产桥站点，流速为0.751 m/s。由计算结果可知，连续输水渠道中的流量由上游向下游逐渐减小，这一结果与实际运行经验一致。在向下游输水的过程中，一方面分水口分流了一部分流量，另一方面，客水输送过程中发生的渗漏会造成流量损失。具体测量结果见表4。

3.2 基于测量结果的流速推算

流速推算能够给管理者或控制系统提供流量参量的准确数值，以便做出合理地判断与调节，从而达到精细化控制的目的。根据各闸站泵站之间的位置距离关系，水流从联合沟倒虹节制闸出发，到达棘洪滩泵站的时间推算见表5。

表4 断面测量及流速测量结果

4、讨论

4.1 流速的影响因素

从结果可以看出，引黄济青渠道流速与截面积成反比（R2=0.9825），其流速分布受到多种因素的影响，包括渠道的几何形状、粗糙度、水深、水流的湍流程度等。湿周是导致渠道输水能力存在差异的重要因素，湿周越大水流阻力及水头损失也越大。几何形状和水深通过改变渠道湿周来影响流速分布。其次，渠道壁面的粗糙度会影响渠道的摩擦阻力，渠道内泥沙的淤积、水草的生长繁殖等因素会改变渠道湿周、显著影响渠道的粗糙系数，造成阻水，从而影响流速。引黄济青工程渠道除个别过桥墩、消力坎等设施的部位外，水流流态均为缓流，流态对流速分布影响较小。水流渠道流速与渠道截面积线性关系如图1所示。

表5 基于测量结果的流速推算

图1 流速—截面积线性拟合

4.2 测量结果在调水工程管理中的应用

流速和流量的准确测量对于预防水灾害、保护生态环境、提高水资源利用效率等方面具有实际应用价值。本研究的测量结果能够用于指导水资源合理调配、水灾害防控和环境保护，对于提高水资源利用效率和保障区域水安全具有重要意义。

合理控制水流流速能够有效减少渠道中泥沙淤积量，大大减少渠道清淤工作量，提高工程经济运行水平。引黄济青工程点多线长，输水方式大多采用明渠，客水在渠道中水力停留时间长，这些客观条件决定了胶东调水工程水质安全暴露在众多风险中[5]。在突发性水质污染事件中，以渠道截面形态及流速为基础，构建污染物扩散模型，能够准确预测污染物扩散、入库时间，从而采取有效措施避免或减轻事故影响，极大提高应急响应能力。在汛期洪水到来时，也能够利用此类数据指导行洪、泄洪。此外，流速是影响渠道内藻类繁殖的重要因素，工程管理单位可通过控制合理的流速维护渠道生态系统的平衡，达到抑制水体富营养的效果。

5、展望

5.1 强化流速数据数字化应用

国家“智慧水利”战略规划和数字孪生建设对工程运行自动化、智慧化提出了更高的要求，流速能够显著影响渠道过流能力、泥沙淤积、污染扩散，是工情的重要组成部分。强化流速数据应用，将流速数据融入数字孪生数据底座，充实模型算据，提高模型预测的准确性，能够显著提升“四预”能力。

5.2 加强流速数据的学科交叉分析

加强流速等水文数据与生态、环境工程等学科的交叉融合，进一步探讨流速与水质、水生生态系统之间及流速、流量对冰期运行影响的关系，构建渠道过流能力、水藻繁殖等工情、生态变化模型，指导工程运行管理，不断提高管理精细化水平。

5.3 进一步优化自动化监测手段

人工测量精度高、适用性强、检测周期灵活，但检测数据缺乏时间和空间上的连续性，且花费较高。在线监测系统能够连续、及时、准确监测渠道流速变化，但监测点位固定，无法根据实际需求调整点位。采取人工测量与在线监测相结合，并辅助以移动式测流设备（测流船、无人机）等，能够对各类检测方式的优缺点进行互补，获得全面、准确、连续的流速数据，大大提高检测的针对性。

参考文献:

[1]马进国,郭明航,展小云.流速测量方法研究现状与分析[J].中国水土保持,2020(11):36-40.

[2]王华,曹双,章家保,等.河流流速仪应用现状及其适应性分析[J].水利水电快报,2018,39(12):6-10.

[3]灌溉渠道系统量水规范:GB/T21303-2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[4]水文测量规范:SL58-2014[S].北京:中国水利水电出版社,2014.

[5]孙中晋,赵凌云,靳锦.胶东调水工程青岛段水质保护措施与建议[J].山东水利,2023(3):69-70,73.

文章来源:宋晓冉,赵喜富,赵凌云.引黄济青青岛段渠道断面流速测量与分析[J].山东水利,2024,(08):69-71+74.