安徽省滁州水文水资源局 安徽滁州 239000
摘要：介绍了二线能坡法流量测验原理、流量计算以及相关参数的计算方法；以安徽省全椒水文站二线能坡测流应用为实例，通过缆道流速仪、走航式声学多普勒流速仪实测流量成果对比统计分析，采用能坡法在线测流系统，是解决水流条件复杂或受涉水工程影响的河道流量测验的途径之一。
关键词：二线能坡法；原理；数理统计；特点；全椒水文站；流量测验
1能坡法流量测验原理
能坡法流量测验方法的基本原理是以曼宁公式为基础，借助水力学实验方法，从虚拟矩形、三角形断面入手，寻求垂线流速与断面平均流速的关系，建立与曼宁公式具有相同结构形式的垂线流速公式；改天然河道中综合糙率为分解糙率；并以两条实测垂线流速为已知条件反求能坡（水流能量坡度）参数，代替曼宁公式中比降与糙率的比值关系，从而使成果精度显著提高，并借助等效流量原理，解决多种非恒定、非均匀流条件下流量测验。
2二线能坡法简介
2.1二线能坡法原理
二线能坡法是采用断面中2条垂线的实测流速作为已知条件，把能坡作为未知数，通过垂线流速公式进行逆运算，得到2个能坡，用内插法处理后，分配到各条垂线流速计算中，代替观测的水面比降，然后用流量计算模型，计算各垂线流速，并用部分流速面积法算出流量。
2.2适用条件
使用二线能坡法测流需满足三个条件，一是断面冲淤变化不大，借用断面进行流量计算；二是2条用以计算能坡的垂线位置，一般选在中水位时约1/4～1/3水面宽处为宜；三是测流断面较稳定，无旋涡和回流。
3 自动测流系统设计安装
测流系统基于曼宁公式的二线能坡法原理推求流量，水位、流速数据5分钟采集一次。流量实时在线监测系统总体结构设计分成四层，分别是信息采集层、数据集成层、数据存储层、应用层。其中信息采集层在监测点；数据集成、数据存储层、应用层放在信息中心。
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全椒水文站采用2台声学多普勒流量剖面仪（ADCP），型号为LK-P2000的测流探头，分别位于起点距35m、55m处。
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图3-1 全椒水文站流量实时在线监测系统断面布置图
选定探头具体位置后，采用水下打桩方式固定，确保流速传感器在水下长期保持固定，不因为水流或漂浮物而导致设备角度发生偏移。探头上浮装置采用沉箱方式，通过岸上充气机对其进行充气和抽气，带动流速传感器自动沉浮。在设备出现故障或者需要检修时，只需要在岸上对沉浮装置进行充气，就可以让设备自动浮出水面，而不需要在水下进行检修操作。检修完以后进行抽气，设备就会自动沉入水底。大大提高了检修的效率，也节省了设备的维护成本。
4实例研究
4.1测站概况
全椒水文站位于滁州市全椒县城，是襄河总控制站，测站集水面积685km²，于2016年5月设站，为基本水文站二类精度站，测站测验断面较顺直，断面为人工开挖的河道，形状规则，河床稳定，冲刷现象相对较小。下游83m为襄水大桥，上游500m处有液压升降坝1座——新襄河闸，共7孔，5孔液压升降坝控制，两端各1孔无控制。主槽5孔坝底板高程6.60m，最大坝高5.00m，液压坝泄流宽度45m，单孔宽9m。坝上游正常蓄水位11.60m。断面来水受水库群和城市景观液压坝影响、下游受滁河水位顶托影响严重，水位流量关系复杂。该站采用二线能坡法在线测流较好的解决了流量测验难题。
4.2资料情况
二线能坡在线测流系统自2017年5月17日安装调试完成运行至今，运行基本正常，共有二段时间故障，2017年10月9日～2018年8月1日，其中一个探头传输故障；2019年7月3日～2019年11月17日，因采用交流电供电，系统及探头被雷击损坏。至2020年10月，完成比测流量测验72次，资料收集情况见表4-1，水位变幅在8.60～12.65m。
4.3比测成果
表4-1 全椒水文站实测流量与二线能坡测流流量比测成果表
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根据表4-1流量比测成果，绘制出Q人工与Q自动关系点分布于45°线情况，见图4-1。
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图4-1 全椒站在线流量与人工流量对比关系图
理论上，二线能坡法在线流量与人工流量应该相等（即两者的相关关系应在45°线上），由于人工测验存在一定的随机和测验误差，在线流量参数优化及模型计算也有一定的误差，因此，人工流量与自动流量应紧密分布在45°线附近、没有明显的系统误差。从图上看出，关系点基本均匀分布于45°线两侧，且相对误差普遍较小，说明自动测流精度较高。
根据流量成果表4-1得到二线能坡法误差计算统计表，详见表4-2。
表4-2 二线能坡法误差计算统计表
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4.3.1定线精度分析
（1）标准差计算
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（2）随机不确定度
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，根据《水文资料整编规范》要求，二类精度水文站
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≤10%，满足要求。
（3）系统误差
关系线的系统误差为0.4%，根据《水文资料整编规范》要求，二类精度水文站关系线系统误差≤
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，满足要求。
4.3.2关系线检验
（1）符号检验
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合理，接受假设。
（2）适线检验
当
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=0.05时，
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；K=39，K＞0.5（n-1）=35.5，免检通过。
（3）偏离数值检验
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合理，接受检验。
5结论与建议
全椒站二线能坡测流系统经过几年的运行应用，从当前应用情况和实测成果分析来看，初步得出以下结论：
（1）通过分析，水位在8.60～12.65m区间内，二线能波法自动监测流量与流速仪法实测流量关系，其不确定度、系统误差全部满足《规范》要求；同时流量关系线通过了符号检验、适线检验及偏离数值检验。因此，水位在8.60～12.65m区间内，自动流量监测数据成果可以直接应用于报汛、整编。
（2）当水位超过 12.65m时，要继续收集实测资料，与厂商沟通做好漫滩后二线能坡测流系统的参数分析率定工作。
采用能坡法实现流量信息的实时在线，提高了流量测验自动化水平，是解决水流条件复杂或受涉水工程影响的河道流量测验的途径之一，运用前景十分广阔，具有一定的推广价值。
参考文献：
[1]熊珊珊，潘卉，王光磊.二线能坡法流量测验方法探讨[J].水文，2015，（035）87-89.
[2]滁州水文水资源局.全椒水文站二线能坡法自动测流系统率定分析[R].2020.
[3]SL247-2012水文资料整编规范[S].北京：中华人民共和国水利部，2012.
作者简介：
徐晓磊（1993.02），男，汉族，安徽滁州人，助理工程师，主要从事水文勘测、水资源分析研究等工作。