线控制闸流量计率定方案优选
摘要：为全面掌控南水北调中线干线工程输水渠道过水流量动态变化, 保证流量计量, 利用ADCP垂线法平均流速测定、走航式ADCP流量测定及流量计流量测定等方法对总干渠3处控制闸试验断面进行了流量比测率定, 根据各测定方法实测数据拟合关系曲线, 并进行拟合关系曲线检验和不确定度分析。结果表明:在充分考虑南水北调中线干线工程输水渠道特征及实际运行特点的基础上, 结合ADCP测流仪具有采样速率高、测验历时短等优点, 走航式ADCP流量测定可优化传统流速仪流量测定, 更适用于总干渠率定流量计流量。
1、概况：
流量测量计量设备是保证工程运行管理和供水计量收费的重要设施, 不但可以对渠道过水量实施自动实时监控, 全面掌控渠道过水流量动态变化, 而且还将为核算各供水户的供水量及水费收缴提供基础。故为保证流量的计量, 需对总干渠各控制闸流量计进行比测和率定, 并根据渠道实际特征及运行情况, 进一步提出优化渠道流量计的率定方案。
2、测验情况及方法确定：
2.1、测验断面：
由于南水北调中线干线工程输水调度复杂、难度大, 无法在同一断面处短时间内调控出满足试验需求的各个量级流量。因此, 在现行调度情况下, 沿途选择流量分别为高、中、低流量级的3处控制闸作为试验断面 (以下简称A、B、C断面) , 选择试验断面水流平稳, 无旋涡、回流、死水等现象, 保证试验成果分析可靠, 为率定工作顺利开展奠定基础。
2.2、测验方法：
流量计率定以流速仪精测法为主, 运用多垂线、多测点、多种仪器进行流速 (流量) 测验, 即采用ADCP垂线法平均流速测定、走航式ADCP流量测定及流量计流量测定等方法, 并在此基础上进行测验误差分析, 通过测验成果对比分析, 确定***佳的测验仪器和测验方法。
3、测验成果相关性分析：
3.1、模型建立：
试验所选测验方法中, 流速仪垂线平均流速与ADCP法垂线平均流速、走航式ADCP流量与流速仪流量、走航式ADCP流量与流量计流量、流速仪流量与流量计流量等关系均为线性关系, 因此模型选用直线相关关系, 并采用***小二乘法进行关系曲线拟合。其拟合公式如下:
式中:y为因变量 (流速仪垂线平均流速、流速仪流量、流量计流量) ;x为自变量 (ADCP法垂线平均流速、走航式ADCP流量、流速仪流量) ;a为系数。
3.2、关系曲线检验：
3.2.1、学生氏检验 (t检验)：
学生氏检验 (t检验) :判断两组试验数据能够合并定线。
式中:t为统计量;xi1为组测点相对关系曲线的相对偏离值;xi2为第二组测点相对关系曲线的相对偏离值;
分别为组、第二组测点平均相对偏离值;n1、n2分别为组、第二组测点数量;分别为组第二组样本总体均值。当, 且曲线间***大偏差<4%时, 可合并定线。
走航式ADCP流量与流速仪流量对比分析中, 在A、B、C断面处分别进行多次流速仪流量及测流期间进行多次走航式ADCP流量对比测验, 由点据点绘可以看出A、B、C试验断面流量关系点据集中呈明显一致带状分布, 并根据学生氏检验, 结果见表1。判定A、B、C断面试验数据可做为同一总体的不同样本进行合并定线、分析。
表1 学生氏检验计算成果表
3.2.2、符号检验：
符号检验:检验所定关系曲线两侧测点数目均衡分布的合理性。
式中:为统计量;为测点总数;为正号或负号个数。当u小于规定的显著性水平
时, 则可接受检验结果。各测验方法关系曲线检验结果见表2。
表2 符号检验计算成果表
3.2.3、适线检验：
适线检验:检验所定关系曲线各测点偏离关系曲线正负符号的排序情况。
式中:u为统计量;n为测点总数;k为变换符号次数, k<0.5 (n-1) 时作检验, 否则不作此检验。当u小于规定的显著性水平u1-a时, 则可接受检验结果。各检验结果见表3。
表3 适线检验计算成果表
3.2.4、偏离数值检验：
偏离数值检验:检验测点与关系曲线间的平均偏离情况。
通过上述各测验方法关系曲线检验结果可知, 各试验断面所定关系曲线合理, 且具有较好的代表性, 符合定线要求。
表4 偏离数值检验计算成果表
4、不确定度计算：
根据已建立的数学模型, 按照《水文资料整编规范》 (SL247-2012) 和《河流流量测验规范》 (GB50179-2015) 的规定进行拟合曲线偏离标准差和随机不确定度计算, 检验所拟定的关系曲线是否符合规范要求。
4.1、曲线偏离标准差：
标准差是衡量实测点据与关系曲线偏差情况的重要指标。
式中:Se为关系曲线的标准差;Qi为第i次实测流量值;Qci与第i次实测流量值相应的关系曲线上的流量;n为参与计算的实测流量总个数。
4.2、随机不确定度计算：
根据流量测验规范, 对于流量测验中存在的随机误差, 应按正态分布, 采用置信水位为95%的随机不确定度描述。
式中:为xq为置信水平为95%的随机不确定度, %;Se为所定关系曲线的标准差。
4.3、系统误差：
当实测点据与关系线无明显系统偏离时, 测点与关系曲线的系统误差可采用测点对关系线相对误差的均值。
式中:n为系统误差;Qi为第i次实测流量值;Qci与第i次实测流量值相应的关系曲线上的流量;n为参与计算的实测流量的总个数。
通过对上述拟定关系曲线的不确定度计算, 结果见表5。表中可以看出拟定的两点法~多点法垂线平均流速关系曲线、流速仪法~ADCP法垂线平均流速关系曲线、走航式ADCP流量~流速仪流量关系曲线、走航式ADCP流量~流量计流量关系曲线、流速仪~流量计流量关系曲线均满足系统误差及随机不确定度的要求。
表5 关系曲线随机不确定度计算成果表
5、对比分析：
由上述节制闸试验断面各拟合关系曲线检验和不确定度的计算分析可以得到, 各回归直线对观测值拟合程度较好, 故2点法垂线平均流速可代表多点法垂线平均流速、ADCP法垂线平均流速可用以推求流速仪法垂线平均流速、走航式ADCP流量及流速仪流量可进行流量计流量率定、同时走航式ADCP流量经换算后, 可代替流速仪流量进行流量计率定。
由于南水北调中线干线工程输水渠道沿途距离长, 途中节制闸、分水闸、退水闸等数量较多, 故在实际运行过程中受节制闸、分水闸调度以及桥梁等影响, 节制闸下泄水流长时间维持稳定较为困难。根据统计A断面各时段流量计流量的平均值、***大、***小值, 可以看出由于长历时测流期间, 流量波动较大。因此采用流速仪~ADCP法垂线平均流速拟合关系曲线及流速仪流量率定流量计流量较难取得很好效果。
而在进行走航式ADCP流量测验时, 可通过设置过河缆索悬吊ADCP进行, 以减小因水流、航速、航向等因素对测验精度的影响, 同时ADCP能直接测出断面的流速剖面, 具有采样速率高、测验历时短、不扰动流场、测速范围大等优点, 更适用于南水北调中线干线工程节制闸下泄水流运行特征, 且通过上述实测数据分析, 走航式ADCP流量~流量计流量关系曲线拟合较好, 已通过各种检验、系统误差和随机不确定度的要求, 从而能够较好的完成渠道的流量计率定工作。
6、结语：
通过对上述各率定测验方法的对比分析, 并在充分考虑南水北调中线干线工程输水渠道特征及实际运行特点的基础上, 结合ADCP测流仪具有采样速率高、测验历时短等优点, 选用走航式ADCP流量可以优化传统流速仪流量, 用于率定流量计流量。