線控制閘流量計率定方案優選
摘要：為全面掌控南水北調中線干線工程輸水渠道過水流量動態變化, 保證流量計量, 利用ADCP垂線法平均流速測定、走航式ADCP流量測定及流量計流量測定等方法對總干渠3處控制閘試驗斷面進行了流量比測率定, 根據各測定方法實測數據擬合關系曲線, 并進行擬合關系曲線檢驗和不確定度分析。結果表明:在充分考慮南水北調中線干線工程輸水渠道特征及實際運行特點的基礎上, 結合ADCP測流儀具有采樣速率高、測驗歷時短等優點, 走航式ADCP流量測定可優化傳統流速儀流量測定, 更適用于總干渠率定流量計流量。
1、概況：
流量測量計量設備是保證工程運行管理和供水計量收費的重要設施, 不但可以對渠道過水量實施自動實時監控, 全面掌控渠道過水流量動態變化, 而且還將為核算各供水戶的供水量及水費收繳提供基礎。故為保證流量的計量, 需對總干渠各控制閘流量計進行比測和率定, 并根據渠道實際特征及運行情況, 進一步提出優化渠道流量計的率定方案。
2、測驗情況及方法確定：
2.1、測驗斷面：
由于南水北調中線干線工程輸水調度復雜、難度大, 無法在同一斷面處短時間內調控出滿足試驗需求的各個量級流量。因此, 在現行調度情況下, 沿途選擇流量分別為高、中、低流量級的3處控制閘作為試驗斷面 (以下簡稱A、B、C斷面) , 選擇試驗斷面水流平穩, 無旋渦、回流、死水等現象, 保證試驗成果分析可靠, 為率定工作順利開展奠定基礎。
2.2、測驗方法：
流量計率定以流速儀精測法為主, 運用多垂線、多測點、多種儀器進行流速 (流量) 測驗, 即采用ADCP垂線法平均流速測定、走航式ADCP流量測定及流量計流量測定等方法, 并在此基礎上進行測驗誤差分析, 通過測驗成果對比分析, 確定***佳的測驗儀器和測驗方法。
3、測驗成果相關性分析：
3.1、模型建立：
試驗所選測驗方法中, 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流量與流量計流量、流速儀流量與流量計流量等關系均為線性關系, 因此模型選用直線相關關系, 并采用***小二乘法進行關系曲線擬合。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。
3.2、關系曲線檢驗：
3.2.1、學生氏檢驗 (t檢驗)：
學生氏檢驗 (t檢驗) :判斷兩組試驗數據能夠合并定線。
式中:t為統計量;xi1為組測點相對關系曲線的相對偏離值;xi2為第二組測點相對關系曲線的相對偏離值;
分別為組、第二組測點平均相對偏離值;n1、n2分別為組、第二組測點數量;分別為組第二組樣本總體均值。當, 且曲線間***大偏差<4%時, 可合并定線。
走航式ADCP流量與流速儀流量對比分析中, 在A、B、C斷面處分別進行多次流速儀流量及測流期間進行多次走航式ADCP流量對比測驗, 由點據點繪可以看出A、B、C試驗斷面流量關系點據集中呈明顯一致帶狀分布, 并根據學生氏檢驗, 結果見表1。判定A、B、C斷面試驗數據可做為同一總體的不同樣本進行合并定線、分析。
表1 學生氏檢驗計算成果表
3.2.2、符號檢驗：
符號檢驗:檢驗所定關系曲線兩側測點數目均衡分布的合理性。
式中:為統計量;為測點總數;為正號或負號個數。當u小于規定的顯著性水平
時, 則可接受檢驗結果。各測驗方法關系曲線檢驗結果見表2。
表2 符號檢驗計算成果表
3.2.3、適線檢驗：
適線檢驗:檢驗所定關系曲線各測點偏離關系曲線正負符號的排序情況。
式中:u為統計量;n為測點總數;k為變換符號次數, k<0.5 (n-1) 時作檢驗, 否則不作此檢驗。當u小于規定的顯著性水平u1-a時, 則可接受檢驗結果。各檢驗結果見表3。
表3 適線檢驗計算成果表
3.2.4、偏離數值檢驗：
偏離數值檢驗:檢驗測點與關系曲線間的平均偏離情況。
通過上述各測驗方法關系曲線檢驗結果可知, 各試驗斷面所定關系曲線合理, 且具有較好的代表性, 符合定線要求。
表4 偏離數值檢驗計算成果表
4、不確定度計算：
根據已建立的數學模型, 按照《水文資料整編規范》 (SL247-2012) 和《河流流量測驗規范》 (GB50179-2015) 的規定進行擬合曲線偏離標準差和隨機不確定度計算, 檢驗所擬定的關系曲線是否符合規范要求。
4.1、曲線偏離標準差：
標準差是衡量實測點據與關系曲線偏差情況的重要指標。
式中:Se為關系曲線的標準差;Qi為第i次實測流量值;Qci與第i次實測流量值相應的關系曲線上的流量;n為參與計算的實測流量總個數。
4.2、隨機不確定度計算：
根據流量測驗規范, 對于流量測驗中存在的隨機誤差, 應按正態分布, 采用置信水位為95%的隨機不確定度描述。
式中:為xq為置信水平為95%的隨機不確定度, %;Se為所定關系曲線的標準差。
4.3、系統誤差：
當實測點據與關系線無明顯系統偏離時, 測點與關系曲線的系統誤差可采用測點對關系線相對誤差的均值。
式中:n為系統誤差;Qi為第i次實測流量值;Qci與第i次實測流量值相應的關系曲線上的流量;n為參與計算的實測流量的總個數。
通過對上述擬定關系曲線的不確定度計算, 結果見表5。表中可以看出擬定的兩點法~多點法垂線平均流速關系曲線、流速儀法~ADCP法垂線平均流速關系曲線、走航式ADCP流量~流速儀流量關系曲線、走航式ADCP流量~流量計流量關系曲線、流速儀~流量計流量關系曲線均滿足系統誤差及隨機不確定度的要求。
表5 關系曲線隨機不確定度計算成果表
5、對比分析：
由上述節制閘試驗斷面各擬合關系曲線檢驗和不確定度的計算分析可以得到, 各回歸直線對觀測值擬合程度較好, 故2點法垂線平均流速可代表多點法垂線平均流速、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行流量計流量率定、同時走航式ADCP流量經換算后, 可代替流速儀流量進行流量計率定。
由于南水北調中線干線工程輸水渠道沿途距離長, 途中節制閘、分水閘、退水閘等數量較多, 故在實際運行過程中受節制閘、分水閘調度以及橋梁等影響, 節制閘下泄水流長時間維持穩定較為困難。根據統計A斷面各時段流量計流量的平均值、***大、***小值, 可以看出由于長歷時測流期間, 流量波動較大。因此采用流速儀~ADCP法垂線平均流速擬合關系曲線及流速儀流量率定流量計流量較難取得很好效果。
而在進行走航式ADCP流量測驗時, 可通過設置過河纜索懸吊ADCP進行, 以減小因水流、航速、航向等因素對測驗精度的影響, 同時ADCP能直接測出斷面的流速剖面, 具有采樣速率高、測驗歷時短、不擾動流場、測速范圍大等優點, 更適用于南水北調中線干線工程節制閘下泄水流運行特征, 且通過上述實測數據分析, 走航式ADCP流量~流量計流量關系曲線擬合較好, 已通過各種檢驗、系統誤差和隨機不確定度的要求, 從而能夠較好的完成渠道的流量計率定工作。
6、結語：
通過對上述各率定測驗方法的對比分析, 并在充分考慮南水北調中線干線工程輸水渠道特征及實際運行特點的基礎上, 結合ADCP測流儀具有采樣速率高、測驗歷時短等優點, 選用走航式ADCP流量可以優化傳統流速儀流量, 用于率定流量計流量。