南水北調工程江蘇段流量在線監(jiān)測技術選擇

王 軍

(南水北調東線江蘇水源公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

南水北調東線工程江蘇段主要是利用現(xiàn)有河道供水來調水，具有防洪、排澇、航運、供水等綜合功能，河道特點是斷面寬且不規(guī)則、水深淺、流速低，對船舶航運等影響大，對流量在線監(jiān)測的測量精度、可靠性和維護、使用方便性等方面要求較高[1]。用科學的方法優(yōu)選流量在線監(jiān)測技術顯得尤為重要，本文通過建立選擇流量在線監(jiān)測技術的指標體系，用模糊分析法選擇最優(yōu)的流量在線監(jiān)測方法。

1 南水北調東線工程江蘇段在線流量監(jiān)測斷面概況

南水北調東線工程江蘇段分為2條線路：運河線和運西線。運河線自江都抽水站起源，一路沿京杭運河向北延伸，至邳州市西北部向西沿不牢河有一分支路線，即劉山—解臺—藺家壩線；運西線沿金寶航道入洪澤湖，再沿徐洪河北上，入駱馬湖。江蘇—山東省界調水主要通過韓莊運河，由臺兒莊泵站抽引駱馬湖水入南四湖，實現(xiàn)調水出省的意圖[2]。

為了掌握南水北調東線工程江蘇段流量變化，為供水調度提供決策依據(jù)，分別設置了2處在線流量監(jiān)測控制斷面：駱馬湖控制斷面和金寶航道控制斷面。

1.1 駱馬湖控制斷面

駱馬湖斷面位于韓莊運河，是江蘇—山東省界重要的計量斷面。該斷面于2000年曾經(jīng)進行過斷面整治，兩岸為漿砌塊石護坡，河道形狀規(guī)則，測流條件良好，可保證較高的測流精度和可靠性。該斷面最高通航水位26.98 m，最低通航水位20 m，供水最高水位21.33 m。河寬近80 m，設計流量為150 m3/s，流速約為0.4 m/s。最低水深3.6 m，最高供水水位水深約5～6 m，水位變化不是很大，屬于淺寬型航道。

1.2 金寶航道控制斷面

金寶航道貫穿了揚州市寶應縣和淮安市金湖縣，全長28.40 km(裁彎取直整治前全長30.88 km)。該河道溝通了里運河與洪澤湖，串聯(lián)了金湖站和洪澤站，承轉江都站、寶應站抽引的江水，是運西線輸水的起始河段，也是南水北調東線工程的重要組成部分，具有輸水、航運、排澇、行洪綜合功能。

金寶航道控制斷面位于揚州、淮安市界，大汕子西側河段，兩岸為漿砌塊石護坡，河道規(guī)整，測流條件良好。該斷面最高通航水位7.6 m，最低通航水位5.8 m。在最低通航水位5.8 m時水深為3.6 m，河寬近100 m，流速約為0.5 m/s，設計輸水流量150 m3/s。

2 南水北調江蘇段流量在線監(jiān)測技術的選擇

2.1 流量在線監(jiān)測技術指標體系選擇

目前進行流量監(jiān)測的方式有以下7種：纜道自動測流、聲學多普勒流速(又分為H-ADCP和走航式ADCP)、超聲波時差法測流、水工建筑物(涵閘)推算流量、水位比降法推算流量、雷達水表面波流速測量再推算流量[3]。根據(jù)流量監(jiān)測各類方法的特點，從南水北調工程東線江蘇段流量在線自動監(jiān)測的目的出發(fā)，結合影響測流技術選擇的因素，對指標的選取和確定進行分析，使評價指標符合目標的特征和需求。通過篩選建立南水北調工程江蘇段流量在線監(jiān)測技術選擇指標體系。目標層中有1個指標，準則層中有4個指標，指標層中有11個指標，形成了金字塔式的指標體系，見表1。

表1 南水北調工程江蘇段流量在線監(jiān)測技術選擇指標體系

2.2 指標權重的確定

2.2.1 構建準則層的判斷矩陣及其權重向量

比較準則層指標的兩兩相對重要程度，建立判斷矩陣見表2。

表2 準則層判斷矩陣

通過計算得出判斷矩陣B的權重向量為：

V=(0.4725,0.2273,0.2273,0.0729)；其他參數(shù)為：λmax=4.0030，CI=0.001，RI=0.89，CR=0.0011。由于CR小于0.1，故判斷矩陣的一致性是可以接受的。

2.2.2 構建指標層的判斷矩陣及其權重向量

(1)比較各適用性指標的兩兩相對重要程度，建立判斷矩陣見表3。

表3 適用性指標判斷矩陣

通過計算得出判斷矩陣B1的權重向量為：W1=(0.5,0.5)；其他參數(shù)為：λmax=2，CI=0.000，CR=0.000。由于CR小于0.1，故判斷矩陣B1的一致性是可以接受的。

(3)比較各實時性指標的兩兩相對重要程度，建立判斷矩陣見表4。

表4 實時性指標判斷矩陣

通過計算得出判斷矩陣B2的權重向量為：W2=(0.5396,0.1634,0.2970)；其他參數(shù)為：λmax=3.009，CI=0.0046，RI=0.52，CR=0.0088。由于CR小于0.1，故判斷矩陣B2的一致性是可以接受的。

(3)比較各可靠性指標的兩兩相對重要程度，建立判斷矩陣見表5。

表5 可靠性指標判斷矩陣

通過計算得出判斷矩陣B3的權重向量為：W3=(0.5584,0.3196,0.1220)；其他參數(shù)為：λmax=3.0183，CI=0.0091，RI=0.52，CR=0.0176。由于CR小于0.1，故判斷矩陣B3的一致性是可以接受的。

(4)比較各經(jīng)濟性指標的兩兩相對重要程度，建立判斷矩陣見表6。

表6 經(jīng)濟性指標判斷矩陣

通過計算得出判斷矩陣B4的權重向量為：W4=(0.3254,0.2483,0.4263)；其他參數(shù)為：λmax=3.0183，CI=0.0091，RI=0.52，CR=0.0176。由于CR小于0.1，故判斷矩陣B4的一致性是可以接受的。

2.2.3 指標層權重向量的確定

根據(jù)準則層相對目標層權重V、指標層相對準則層權重W1、W2、W3、W4，可以計算得出指標層各項指標相對于目標層的權重，如表7所示。

表7 南水北調工程江蘇段流量在線監(jiān)測技術選擇指標權重

2.3 控制斷面測流方法的選擇

2.3.1 駱馬湖控制斷面測流方法選擇

不同測流方法在駱馬湖控制斷面各指標的平均分值見表8。

表8 各種測流方法在駱馬湖控制斷面各指標的平均得分

將上述各種測流法各評價指標分值代入相應的隸屬函數(shù)，得到各評價指標對各級標準的隸屬度，綜合各評價指標權重及其在各評判集上的隸屬度，可得各測流方法的綜合評判矩陣，即通過計算求得各測流方法的隸屬度見表9。

表9 駱馬湖控制斷面各種測流法模糊綜合評價矩陣

按最大隸屬原則，由表9可知，水工建筑物測流法的評價為“差”等級，纜道自動測流法、比降測流法、雷達水表面波流速測量再推算流量法的評價為“一般”等級，超聲波時差測流法、水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)、走航式聲學多普勒流速測流法的評價為“較好”等級。3種方法中，水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)在“好”等級的分值為0.2543最高，在“較好”等級的分值為0.6913，也是最高，故駱馬湖控制斷面選用水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)進行測流。

駱馬湖控制斷面位于山東、江蘇兩省交界處，支流交匯多，船舶通航量較大，環(huán)境較為復雜，設備安全隱患較多，而且河道右岸為鄉(xiāng)村小路，設備安裝施工條件較差。

H-ADCP設備僅需在河道左岸設置即可滿足要求，安全性較高，不影響船舶通航，適應性較好。而且H-ADCP一般采用支架的形式安裝在河道岸邊，對施工條件要求較低，施工量相對也較小。所以，H-ADCP的特點與駱馬湖控制斷面的特點相吻合，可滿足此斷面的流量測驗需求，同時H-ADCP設備造價低、精度較高，滿足測流要求。因此，駱馬湖控制斷面選用水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)是合理的。

2.3.2 金寶航道控制斷面測流方法選擇

根據(jù)打分情況得到金寶航道控制斷面的各指標平均得分見表10。

表10 各種測流方法在金寶航道控制斷面各指標的平均得分

將上述各種測流法評價指標分值代入相應的隸屬函數(shù)，得到各評價指標對各級標準的隸屬度，綜合各評價指標權重及其在各評判集上的隸屬度，可得各測流方法的綜合評判矩陣，即通過計算求得各測流方法的隸屬度見表11。

按最大隸屬原則，從表11可知，水工建筑物測流法的評價為“差”等級，比降測流法、雷達水表面波流速測量再推算流量法的評價為“一般”等級，纜道自動測流法、水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)、走航式聲學多普勒流速測流法的評價為“較好”等級，超聲波時差測流法的評價為“好”等級，故金寶航道控制斷面選用超聲波時差測流法進行測流。

表11 金寶航道控制斷面各種測流法模糊綜合評價矩陣

金寶航道斷面位于寶應湖下游，水流流速較小，流量測驗的相對誤差可能會較大。另外，由于此地區(qū)的水流流速均不大，周圍水系的含沙量較小，且斷面位于南水北調大汕子樞紐附近，河道也較為順直，周圍環(huán)境的安全性相對較好。

超聲波時差法測流精度高，在寬淺河道的低流速狀態(tài)下仍能保持較高精度[5]。另外，金寶航道控制斷面位于大汕子河口閘管處位置，設備安裝位置安全性高，具備同時在兩岸設置測流裝置的條件。因此，金寶航道控制斷面選用超聲波時差測流法是合理的。

基于各種在線流量監(jiān)測技術的指標對照情況，計算出各指標對于優(yōu)選測流技術的目標的權重向量為

W=(0.2362,0.2362,0.1227,0.0371,0.0675,0.1269,0.0727,0.0277,0.0237,0.0181,0.0311)。

再分別針對駱馬湖控制斷面和金寶航道控制斷面進行模糊綜合評價計算。結果表明，駱馬湖控制斷面的最優(yōu)測流方法是水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)，金寶航道控制斷面的最優(yōu)測流方法是超聲波時差法。

通過分析計算確定了駱馬湖控制斷面的H-ADCP和金寶航道斷面的超聲波時差法的平均流速，均可作為斷面的指標流速。在優(yōu)選自動測流方法運行一段時間后，隨著南水北調兩步制水價政策逐步深入落實，對南水北調流量在線監(jiān)測需求將增大，測點將會逐步增多，對測流的準確性、實時性等要求也將更高，對測流方法的有效性和可靠性選擇的研究將會進一步深入。

3 結 論

受自然環(huán)境和地形、工程調度、船舶航運等方面的影響，現(xiàn)有的自動監(jiān)測設備未能充分發(fā)揮作用。因此，針對南水北調東線工程的運行情況，分析對比各類流量測驗方法，依據(jù)不同條件，選擇最優(yōu)的測流方式以實現(xiàn)流量在線監(jiān)測。

(1)通過分析南水北調工程江蘇段測流存在的問題，總結出影響在線測流技術選擇的因素主要有通航船舶、水文特性、實時性、測量精度、經(jīng)濟性和安全性。

(2)建立了準則層包含實時性、可靠性、經(jīng)濟性、實用性的指標體系，并經(jīng)過指標分析和篩選，完善了指標體系，指標層包含通航船舶適應、水文特性適應、采集速度、傳輸速度等11個指標，同時確定了本文采用模糊分析方法進行測流技術優(yōu)選。

(3)確定了各指標相對于目標層的權向量為：W=(0.2362,0.2362,0.1227,0.0371,0.0675,0.1269,0.0727,0.0277,0.0237,0.0181,0.0311)，并分別對駱馬湖控制斷面和金寶航道控制斷面進行模糊分析計算。結果表明，駱馬湖控制斷面的最優(yōu)測流方法是水平聲學多普勒流速測流法(H-ADCP)，金寶航道控制斷面的最優(yōu)測流方法是超聲波時差法。