南水北调中线工程陶岔渠首供水计量与校核

文章编号：1006-0081（2020）10-0045-06
南水北调工程是我国重大战略性跨流域水资源配置工程，是为解决京、津、冀、豫沿线二十多座城市辖区亿万居民生活用水及环境生态用水危机的民生工程。

2014年12月12日南水北调中线一期工程正式
通水，至今已完成近6个水量调度年度供水计划，中线水源工程自丹江口水库通过陶岔渠首枢纽调入中线干线渠道的年度水量已由2014～2015年度的21.67亿m 3逐年增加到70多亿m 3，并将于2019～
2020年度达到80亿m 3，累计向华北地区供水超过280亿m 3。

陶岔渠首监测断面全年水质持续稳定在地表水环境质量标准Ⅱ类以上，其中有343d 达到Ⅰ类水质、22d 符合Ⅱ类水质标准，Ⅰ类水质占评价总天数的94%。

南水北调中线一期工程通水以来，从规划设计之初的补充水源，正逐渐转变成为沿线受水城市的主要饮用水源，惠及5900万城市居民，如：南水自流到北京颐和园内的团城湖后，依靠沿途设置的9级泵站将水头抬高132.85m ，沿京密引水渠已反向给沿线十三陵水库、桃峪口水库、南庄水库、怀柔水库、密云水库补水近10多亿m 3，此外，南水已占北京主城区自来水供水量73%以上。

在2017年之后，南水就成为天津市城市居民生活用水的主力水源；河北省石家庄、邯郸、保定、衡水主城
区，南水占居民用水总量的75%以上；郑州城区自来水80%以上是北调南水。

随着供调水量逐年提升，南北方水资源不均衡格局正在改变，华北地区水资源危机得以纾解，受水地居民饮用水的水质得到明显改善。

在中央提出“五位一体”总体布局后，生态文明建设受到国家有关部委和地方的高度重视。

2017
年11月，在前期试点的基础上，正式开始实施向北方受水区生态补水及地下水超采综合治理行动，到2022年该项行动将北调南水至少60亿m 3用于华北地区生态及地下水超采治理恢复。

据相关监测数据分析，实施生态补水及地下水超采综合治理行动后，京津冀地下水水位下降趋势已得到显著遏制。

2018年11月初的潮白河水源地地下水位与2015年试点补水前的地下水位相比平均升幅达15.37m ，地下水流场影响范围约30km 3。

目前，生态补水累计近30亿m 3，沿线城市河湖生态显著优化，南水北调中线工程生态效益日益突显。

丹江口水库及位于河南淅川县九重镇的陶岔渠首枢纽作为南水北调中线工程的“水缸”和“水龙头”，在向我国北方京津冀豫地区供水过程中发挥着南水北调中线水源水量储备、引水流量监测控制、供水计量、水质监测等重要功能，是南水北调中
收稿日期：2020-03-06
作者简介：黄朝君，男，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程建设与运行管理工作。

E-mail ：**************
南水北调中线工程陶岔渠首供水计量与校核
黄朝君1，徐新喜2
（1.南水北调中线水源有限责任公司，湖北十堰442700；
2.长江三峡勘测研究院有限公司（武汉），湖北武汉430070）
摘要：为了准确计量调入南水北调中线干渠的供水水量，陶岔渠首共布设了3个时差法流量实时监测断面和1个走航式ADCP 测验断面。

介绍了安装在陶岔渠首枢纽的流量实时监测系统构成，渠首水量计量系统的技术原理、计量方法和精度，并对水量监测数据的复核、修正和统计中存在的问题及应对措施等进行了阐述。

结果表明：1+300监测断面数据偏差较小、精度更高，但仍需对流量计进行及时率定，对系统的精度和数据共享传输的稳定性进行持续观察，并在运行过程中不断改进和提高。

关键词：流量监测；供水计量；误差统计；陶岔渠首枢纽；南水北调中线水源工程中图法分类号：TV68
文献标志码：A
DOI ：10.15974/ki.slsdkb.2020.10.009
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线水源工程的主要组成部分，在保障防汛安全、供水安全、工程安全，支撑国家重大战略实施，促进经济社会和生态环境的可持续发展等方面，发挥着不可替代的巨大作用。

1陶岔渠首流量监测系统构成
为了对调入南水北调中线干渠的供水水量进
行计量，目前，陶岔渠首共布设了3个时差法流量实时监测断面和1个走航式ADCP 测验断面（见图1）。

（1）陶岔渠首枢纽建设后期、正式通水之前，在陶岔渠首枢纽下游施工大桥附近、中线干渠桩号0+300位置布设了瑞士Rittmeyer 超声波流量计［1］。

该流量计含8套超声波探头4层交叉声路、1个水位计。

2014年12月12日正式供水后至2019年5月期间，该断面（图1标号1处）是南水北调中线陶岔渠首的唯一水量计量断面，是供调水数据的唯一来源。

（2）2018年中线建管局在陶岔渠首枢纽下游中线干渠桩号1+300位置布设了瑞士Rittmeyer 超声波流量计，含16套超声波探头8层交叉声路。

根据水利部要求，2019年5月1日该断面（图1标号2号）切换为供水交接计量断面。

（3）汉江水文水资源勘测局于2019年初在陶岔渠首枢纽下游中线干渠桩号1+390位置（图1标号3处）建设了国家基准水文测站，布设了德国Quantum 有线时差法流量计，采用4层换能器8通道系统
［2-3］。

系统于2019年11月进入调试阶段，目前已取得部分监测数据，数据连续性、完整性、准确性尚待检验。

同时，另在1+300断面附近布设了走航式ADCP 测验断面（图1标号4处），以检验该断面流量监测成果精度和数据质量等。

渠
首大桥
1
2
3
4
图1陶岔流量监测断面位置
流量监测系统（1）和（2）产出的数据经专用光纤和3G/4G 无线传输信道（二者互为传输通道热备份，以保证实时监测数据不中断）传输至中线水源工程运行管理单位所设的丹江口数据监测中心，并实时在线推送给水资源监控能力建设项目长江流域平台、中央平台和南水北调中线工程运行管理相
关单位等多个平台，使用户实现数据共享。

实测断面是丹江口水库自陶岔渠首枢纽入中线干渠的交水断面，所得到的数据作为陶岔渠首枢纽控制闸门开度的调整依据，同时也是进行水资源管理、调度计划与实施管理、工程运行管理的依据。

（1）和（2）测量断面均采用超声波测量渠道中不同高度层面水流流速，对有效断面进行积分得到通过测量断面的流量。

测量断面安装示意见图2，适应渠道宽度为1～100m ，测量结果不确定度在±5%范围内，由现地测量单元、换能器和供电及数据传输线缆、后台工控机、数据处理单元等组成。

现地测量单元采集获得的原始流量测量数据通过RS485总线传输至后台工控机、数据处理单元，完成监测系统实时流量的计算、积累、报警、数据存储等功能。

后台工控机、数据处理单元
（PLC ）由数据服
务器和相应的电子模块组成。

图2流量计（现地测量单元）安装示意
2陶岔渠首超声波流量计技术原理
陶岔渠首枢纽超声波流量计主要采用时差法
测流速（如图3所示），在测点上下游分别布置P1和P2换能器，其间距为L ，流体流速为V ，超声波在静水中的声速为C 。

T 2为超声波沿水流方向传播所经历的时间（正向传播时间），T 1为逆水流向传播所经
历的时间（逆向传播时间）。

正（T 2）、逆（T 1）向传播时间通过距离、速度公式
表示：
T 1=
L C -V cos θ
（1）T 2=L C +V cos θ
（2）式中，θ为P 1与P 2直传方向与渠道走向之间的夹角。

由式（1）、式（2）可得该声路上的线平均流速：
v =L 2cos θ(1T 2-1T 1)（3）流量测量系统考虑渠道中不同高程处流态分
布的不均匀性，为了提高测量精度，采用8声路布置方式（符合ISO6416规程），如图4所示。

利用不同
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高程的多声路流速换能器测量流速的同时，测量多声路水位，然后用测得的流速对有效断面进行积分，即可得到通过测量断面的流量。

P2
L
θ
P1
静水中的
声速为C 图3流速测量原理示意
流速换能器
水位换能器
第i 声路流速V i
第i 声路
W i
H Q T
Q M
Q B
H i
图4干线渠中多声路布置、积分原理示意
流量计算公式为
Q =Q T +Q M +Q B
（4）
式中，Q 为渠道断面总流量；Q T 为渠道顶层流量；Q M 为渠道中间各层流量；Q B 为渠道底层流量。

如图3所示，Q T 、Q M 和Q B 又可分别按式（5）~（7）计算：
Q B =14
()V 1+K B V 1()W 1+W B (h 1-h 0)（5）
Q M =14
()V i +V i +1()W i +W i +1(h i +1-h i )（6）
Q T =12()V L +V 4()H -h 4V 4+K T V S
1+K T （7）
式中，K B 和K T 分别为底部系数和顶部系数；K B 取值范围一般为0～1，缺省值为0.5；K T 的缺省值为0.1；W 8为最上层工作声路处的干渠宽度；W 1为最下层工作声路处的干渠宽度；W T 为渠道水流表层处的水面宽度；W B 为干渠底部宽度；V S 为水面表层流速。

可
利用插值法由式（8）式（9）得出：
当H-h 4＜H 4-h 3时，V S =V 4+（V 4-V 3）
H -h 4
h 4-h 3
（8）当H -h 4＞H 4-h 3时，V S =V 4+（V 4-V 3）
（9）
式中，K T 为渠道表层流速系数；K B 为渠底流速系数；V i 为第i 声路测得的流速；V 8为最上层工作声路测得流速；V 1为最下层工作声路测得流速；H 为中线干渠陶岔当前水位；h i 为第i 声路高程；h 8为最上层工作声路高程；h 1为最下层工作声路高程；h 0为渠底高程。

3陶岔渠首供水量计量方法与精度
超声波现地测量单元默认设置为每隔30s 采集
1次流量数据Q ，通过RS485总线传输至后台工控机进行数据处理，以Q 为基础累加计算得到累计水量。

2016年6月，利用原有丹江口水库地震监测数
据传输专用光纤线路，将陶岔水量监测数据远程实时在线传输入丹江口数据监测中心的同时，对数据监测管理软硬件系统进行了整体改造，将超声波现地测量单元设置为每1s 采集1次流量数据。

累计水量由每秒采集的渠道断面总流量Q 与间隔时间T 相乘，得到1min 累计水量值V （m 3），1min 内累计水量平均为每秒流量（m 3/s ）。

所得数据以整时整分格式存储在前置数据服务器的数据库中，其他用户终端均安装同库表结构的数据库以实时同步数据，方便监测数据报告、导出计算、校核、确认。

2016～2019年，工程运行管理单位每年利用南
水北调中线干渠渠道检修、供水流量大幅调整的时
机，聘请水文测量专业机构对0+300断面流量计进行了多次比测率定。

2017年9月上旬，干渠检修时
流量以每小时减少10m 3/s 的速度从120m 3/s 降至60m 3/s ，检修工作完成后陶岔渠首流量又以每小时增加10m 3/s 的速度增加至250m 3/s ，之后又回调至
130m 3/s ，整个过程持续了1周。

率定结果显示：0+300监测断面按分钟统计的流量监测数据精度在±10%范围内。

2018年7月中旬，陶岔渠首上下游（即丹江口库水位、南水北调中线干渠水位）水头差超过12m ，期间南水北调中线干渠流量在190～300m 3/s 区间多次调整，再次利用发电机组控制的实时下泄流量和0+300断面流量计监测实时流量做跟踪比测，结果再次表明，0+300监测断面按分钟统计的
流量监测数据精度在±10%范围内。

虽然0+300水量监测断面自2016年整体改造后运行情况较好，但由于其位置接近闸门与发电机组出水口且处于渠首弯道处，水流流态紊乱，断面与流向不垂直，水流状态及条件均不符合相关规范，监测数据误差范围过大，监测数据质量难以满足管理要求。

工程运行管理单位决定于2019年5月1日将南水北调中线交水计量断面转换为1+300监测断面。

受工程运行管理单位的委托，汉江水文水资源勘测局在1+300断面处布设了走航式ADCP 测验断面，用于对1+300断面监测数据的复测检验。

该处渠段顺直，水流平稳，两岸为石砌混凝土护坡，断面呈梯形，符合相关规范。

走航式ADCP 断面流量施测时采用缆道吊测，将三体船牵引绳连接在循环索金属环上，人力拉动循环索带动三体船匀速移动。

根据陶岔干渠测量
黄朝君等南水北调中线工程陶岔渠首供水计量与校核
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2020年10月水利水电快报EWRHI 第41卷第10期
区段的水文条件、水深范围及流速区间情况，比测单位选用了美国RDI 公司“瑞江”牌ADCP 设备。

该设备具有频带宽、分辨率高、适应性好、故障率低等特点，在600kHz 的中低频浅水工作模式（水深0.7～8m 范围内）时，测量误差为3%～5%。

2019年3~11月，比测单位在陶岔渠首共测得
32组走航式ADCP 法施测的流量数据与0+300处时差法流量计监测对比数据。

设定每次测验渠道内水流为恒定流，以ADCP 施测流量作为流量真值，取ADCP 流量测验从开始到结束时间内相对应的时差
法在线监测流量平均值作对比分析，比测结果显示，0+300断面超声波流量计监测结果偏大（见表1和图5）。

表1
0+300断面时差法流量计与走航式ADCP 比测统计
分析资料系列2019年3~11月
比测次数/次32
最大相对偏差/%14
最小相对偏差/%5.7
系统误差/%10
随机不确定度/%21.2
比测
结论系统
偏大
图50+300处时差法流量过程与ADCP 实测流量对比
在2019年5月1日至11月20日期间，该比测单位共取得31组走航式ADCP 法施测的流量数据与1+300断面时差法流量计监测对比数据。

设定每次测验渠道内水流为恒定流，以ADCP 施测流量作为流量真值，取ADCP 流量测验从开始到结束时间内相对应的时差法在线监测流量平均值作对比分析。

结果表明：比测随机不确定度较小，1+300断面监测数据相对于0+300断面监测数据更接近走航式ADCP 断面测验数据（见表2和图6）。

从表1，2和图5可以看出，走航式ADCP 法施测
的流量数据与相应时间区间内时差法流量计监测数据进行比较，结果表明：0+300断面处时差法流量计在线监测流量数据整体系统性偏大，最大相对偏差14%，最小偏大5.7%，系统偏大10%，随机不确定度达21.2%；1+300断面处时差法流量计在线监测流量数据相对稳定，最大偏差-4.6%，系统误差1.5%，随机不确定度4.2%。

1+300断面处流量监测断面较
0+300处流量监测断面监测精度高。

目前，我国尚无专门针对大型调水工程流量监
测与计量的规范标准，能够作为参照依据的是GB/T 28714-2012《取水计量技术导则》和GB 50179-2015
《河流流量测验规范》，对于二者的适用性，尤其是否适合大型调水工程常年大流量的监测计量，并将计量结果直接用于水费结算，需开展进一步研究。

普遍认为，精度标准应该更高。

在《取水计量技术导则》4.4“取水计量误差”中规定“明渠输水时，限额以上取水时，误差应≤±5%，限额以下取水时，误差应≤±7%”。

在《取水计量技术导则》5“明渠取水计量”中规定“实测流量计算按照GB50179的规定执行”“河（渠）宽<100m 可选用超声时差法测流方法”“测流误差小于±5%”。

在GB50179中规定“比测有效次数不应少于30次”，且分一、二、三类精度水文站；在水资源管理方面，分高、中、低水位规定了允许系统误差在-3.5%～1%，其中，一类精度水文站在高水位级水资源管理方面，置信水平为95%的总随机不确定度时允许误差为-1.5%～1%。

显然，1+300断面监测精度较0+300断面更符合《取水计量技术导则》，也更接近《河流流量测验规范》要求。

4陶岔渠首水量监测数据复核修正与统计
陶岔渠首流量监测断面系统产出数据包括总
干渠流量（瞬时流量m 3/s ）、累计水量（m 3）、总干渠水位（m ）。

2016年工程运行管理单位以超声波流量计
每秒测得的断面总流量数据为基础，对实时监测数据管理系统进行了二次开发，将瞬时流量按分钟、小时重新定义，计算并产出系列数据（见图7）后做
表2
1+300断面处时差法流量计与走航式ADCP 比测统计
分析
分析资
料系列2019年5~11月
比测次数/次31
最大相对偏差/%-4.6
最小相对偏差/%0
系统误差/%1.5
随机不确定度/%4.2
比测结论相对
较好
图61+300处时差法流量过程与ADCP 实测流量对比
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对比校核，其中按小时统计的干渠瞬时流量用作闸门开度调整的参考（见图8）。

图7
流量数据界面
系统产出的累计水量数据并不能直接运用和确认。

在实际计量、复核过程中，首先要根据当月调度目标流量对当月供水水量进行总体匡算，当月监测断面系统显示累计供水量与按目标流量匡算水量出现超出±3%以上范围的差率时，就要对照查找差值点与时间段，及时沟通供水与受水双方，共同对缺失监测数据进行确认。

出现造成监测数据缺失的情况，需要按对应方法进行检查，修正和补录统计错误与缺失数据。

（1）数据处理工控机（服务器）出现因软件程序崩溃导致数据库无法更新时需要手动重启。

从软件崩溃到人为恢复期间，因该监测系统数据源、工控机和服务器均没有备份，缺失的累计水量数据只能依据南水北调工程运行管理单位总调度中心下达的《关于调整陶岔渠首入总干渠流量的函》的目标流量与缺失时间段长度进行计算后补录加总统计。

（2）断面流量监测系统未配备不间断UPS 电源，当供电中断时流量计PLC 或服务器停机，则断电期间的累计水量数据丢失。

因这种情况导致的数据缺失无法参考实时瞬时流量，只能依据该时间段的
调度目标流量进行数据计算补缺。

（3）监测系统设备更换维修和闸控系统检修维护时亦会造成监测断面系统停工和数据长时间缺失，对此要依据该时间段的调度目标流量进行数据计算补录汇总。

5结论
陶岔渠首枢纽入干渠流量监测统计数据是国家水行政主管部门、长江流域管理机构以及南水北
调中线水源、干线工程、丹江口水库运行管理单位共享共用的唯一数据源，关系汉江流域防汛安全与南水北调中线一期工程运行调度安全和供水安全，必须做到实时、准确、权威发布和共享。

因此，陶岔渠首入干渠流量监测与统计工作以24h 实时监测统计、突发故障实时应急响应处置的方式进行。

0+300监测断面受设备安装位置限制与影响，
监测数据偏差较大，目前已被批准经率定后继续监
测，作为1+300断面的参考断面、备用断面和陶岔枢纽闸门开度的参考依据。

转换交水监测断面后，1+300断面监测数据偏差较小、精度更高，但仍需及时对流量计进行率定，对监测系统的精度质量和数
据共享传输的稳定性进行持续观察，并在运行中不断提高和完善。

南水北调中线干渠上所有调度、分水计量设施均已接入独立组网的闸控网络安全系统，1+300断面的产出数据进入闸控系统后，通过特许数据输出端进行分享推送。

因此，监测断面、闸控系统、网络传输等系统的设施设备故障均可导致实时监测数据的中断，要从数据链路结构设计和设备性能配置方面改进以确保其稳定性。

经过2019年下半年几个月的实际运行监测，1+300监测断面数据因设备维修、检定、故障等造成缺失的情况多次出现，
对监测与数据系统参数调整与设备维护效
图8按分钟、小时统计的监测结果界面
黄朝君等南水北调中线工程陶岔渠首供水计量与校核
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2020年10月水利水电快报EWRHI第41卷第10期
率提出了更高要求。

而水行政主管部门、流域管理机构在陶岔渠首1+390位置处建设的国家水文监测断面，目前还未正式验收投入使用，该断面监测数据尚未接入工程运行管理单位监测数据远程实时传输系统。

因此，为了给南水北调中线工程运行管理及水量调度提供更加真实、可靠、科学的数据，目前可行的对策是：①对0+300断面设备进行率定、参数调整以缩小系统偏差，继续保持对0+300断面的监测，发挥该断面的调度备用与复测参考作用；②对原有监测数据远程实时传输系统进行扩展延伸，待1+390国家水文监测断面验收投运后商洽接入该断面监测数据，用于1+300监测断面的备用和复测检验。

更为紧迫和重要的是对1+300交水计量断面进行系统重构和改造完善，提高精度和稳定可靠性，以确
保该断面监测数据和实时共享传输的连续、稳定、完整、相对准确。

在实际工作中，1+300监测断面数据可能存在错误、遗漏与缺失，需要依据监测系统运行情况、调度目标流量进行计算、复查、校核、补录调整统计汇总后才能用于供水数据报告、交水计量确认和水费结算。

参考文献：
［1］胡小杰，袁世娟，黄为民.多声道超声波流量计的原理与应用［J］.广东水利水电，2007（4）：28-30.
［2］王耿.超声波流量计在南水北调中线工程中的应用［J］.工业计量，2010，20（2）：37-39.
［3］李广峰，刘昉，高勇.时差法超声波流量计的研究［J］.
电测与仪表，2000（37）：13-19.
（编辑：李慧）
Measurement and check of water supply quantity at Taocha Canal Head of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion
HUANG Chaojun1，XU Xinxi2
（1.Mid-route Source of South-to-North Water Transfer Corp.，Ltd.，Shiyan442700，China；
2.Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，Wuhan430070，China）
Abstract：To accurately measure the water supply quantity at Taocha Canal Head of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion，three real-time measuring cross-sections measured by time difference method and one measuring section measured by vessel-mounted ADCP were set up at the canal head.The composition of the installed real-time flow monitoring system，the technical principle，measurement method and accuracy of the flowmeter were introduced.The problems in the check，correction and statistics of the measuring data were demonstrated and the countermeasures were put forward.The results showed that the data error of cross-section1+ 300was relatively smaller and the accuracy rate was higher.However，the flow meter should be calibrated in time and the accuracy of the system and the stability of the data sharing and transmitting should be observed continuously and improved in the following operations.
Key words：flow measurement；water supply measurement；error statistics；Taocha canal head；Middle Route Project of South-to-North Water Diversion
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