ADCP 在感潮水文站的使用

歐芳蘭

（欽州水文分局，廣西 欽州 535000）

0 引言

感潮水文站的流量測(cè)驗(yàn)包括潮水、潮洪混合及洪水等流量的測(cè)驗(yàn)，是由河口水流特性決定的。在測(cè)驗(yàn)河段，受淺海天文潮期影響顯著，漲潮時(shí)潮水從近海流入河口，落潮時(shí)潮水則同河水一并從測(cè)驗(yàn)河段流向海洋，形成水位周期漲落、流向倒順變動(dòng)的往復(fù)水流。一般情況下，1 個(gè)潮流變化過(guò)程從漲潮流開(kāi)始至落潮終了，每日整個(gè)往復(fù)流過(guò)程可劃分為以下 4 個(gè)階段：1）漲潮落潮流，當(dāng)淺海潮流侵入河口之初，海水因密度較大潛入河底向上游推進(jìn)，此時(shí)河口水位上升，水面坡降變緩，但上層水流方向仍指向下游，此時(shí)，在感潮河段內(nèi)，流速垂線分布呈上下 2 層，上層為淡水，流向下游，下層為咸水，向上游推進(jìn)；2）漲潮漲潮流，隨著海水的上漲，河口水位不繼上升，水面轉(zhuǎn)向上游傾斜，落潮流經(jīng)歷憩流（即潮流速降為零）以后在整個(gè)斷面上水流轉(zhuǎn)向，變?yōu)闈q潮流；3）落潮漲潮流，當(dāng)潮波向上游推進(jìn)至相當(dāng)距離后，海洋中已開(kāi)始落潮，河口內(nèi)的水位也隨之下降，此時(shí)水面比降雖趨于平緩，漲潮流速逐漸減小，但在慣性力作用下，水流方向仍指向上游；4）落潮落潮流，河口水位繼續(xù)下降，水面已轉(zhuǎn)向下游傾斜，漲潮流經(jīng)歷憩流以后，在整個(gè)斷面上水流方向轉(zhuǎn)向下游，變?yōu)槁涑绷?。潮汐河口的這種水流特征，使流量與一般河流中單向水流的流量概念不同。因此河流自然流態(tài)在潮水漲、落的影響下，順逆變化，給河流流量的測(cè)驗(yàn)帶來(lái)很大的影響。

1 黃屋屯站感潮水文站介紹

茅嶺江是桂南沿海獨(dú)流入海河流，流域中上游森林植被較好，水土保持較好，水土流失較輕。

黃屋屯水文站是茅嶺江重要的控制站，是廣西目前唯一進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的感潮水文站，距河口約 17.5 km，潮汐影響顯著，屬流量 2 類精度站，控制面積 1826 km2，水位流量關(guān)系極其復(fù)雜。測(cè)驗(yàn)河段較為順直，無(wú)水生植物生長(zhǎng)。測(cè)驗(yàn)斷面河床右岸為風(fēng)化石，左岸為沙質(zhì)和淤泥。潮水位變幅不大，大潮潮差 4 m 左右，水面寬在 100～120 m 之間，水深適中，最低水位平均水深 2.11 m，中泓附近水深 4 m 左右，流速較小。實(shí)測(cè)最高水位 8.78 m，最大流量 3130 m3/s，最大測(cè)點(diǎn)流速 2.97 m/s，歷年水位變幅 9.25 m。

黃屋屯水文站 1971年6 月設(shè)站觀測(cè)水位，1974 年開(kāi)始在汛期進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，1978年1 月開(kāi)始進(jìn)行常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)，主要采用傳統(tǒng)流速儀進(jìn)行施測(cè)，2005年12 月年開(kāi)始使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）測(cè)量流量。

2 傳統(tǒng)流速儀測(cè)量方法 [1-2]

黃屋屯水文站受諸多因素的影響，流量測(cè)驗(yàn)工作繁雜困難。洪水及潮洪混合流量測(cè)驗(yàn)始于 1974 年汛期，同年又進(jìn)行為期 1 個(gè)月的潮流量連續(xù)測(cè)驗(yàn)，積累了一定數(shù)量的實(shí)測(cè)流（潮）量資料，據(jù)此分析確定斷面代表線法、常測(cè)法 2 種流量測(cè)驗(yàn)方案。一般情況下，代表線法適合潮流量測(cè)驗(yàn)，常測(cè)法用于洪水流量的測(cè)驗(yàn)，2 種測(cè)驗(yàn)方案均用纜道進(jìn)行施測(cè)。黃屋屯水文站的洪水流量測(cè)驗(yàn)和定線推流方法與一般江河站無(wú)異，潮流量推流則較為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)大量的實(shí)測(cè)潮流量資料進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，采用如下定線推流方法：1）點(diǎn)繪有效潮差 ΔZ 與實(shí)測(cè)平均流量 Q 關(guān)系，以本站高（低）潮位 Zc 為參數(shù)，繪制ΔZ-Q 關(guān)系曲線；2）根據(jù)各實(shí)測(cè)點(diǎn)的潮差 ΔZ，在關(guān)系曲線上查得定高（低）潮位流量 Qc，計(jì)算 Q/Qc；3）初步繪制實(shí)測(cè)潮位 Zc-Q/Qc 關(guān)系曲線，如實(shí)測(cè)點(diǎn)集中，定線精度達(dá)到規(guī)范要求，即可以推流，如果定線精度達(dá)不到規(guī)范要求，應(yīng)修正定高（低）潮位的 ΔZ-Q 關(guān)系曲線，并重復(fù)以上步驟，直至符合要求；3）推流時(shí)，先根據(jù)各個(gè)潮流期的潮差 ΔZ，在關(guān)系曲線上查出定高（低）潮位的流量 Q，再根據(jù)相應(yīng)潮流期的高（低）潮位 Zc，在關(guān)系曲線上查出流量比 Q/Qc，2 者相乘即得平均流量，再乘以漲（落）潮潮流歷時(shí)，即得相應(yīng)潮量。

測(cè)量特點(diǎn)：1）傳統(tǒng)流速儀性能穩(wěn)定；2）使用期長(zhǎng)，價(jià)格低，一般每 2 年檢測(cè) 1 次流速儀公式，就可以無(wú)限期使用；3）計(jì)算工作量大，測(cè)次多，一般 1 個(gè)潮期大約測(cè) 20 多份流量；4）測(cè)驗(yàn)誤差大，誤差來(lái)源主要是測(cè)速誤差，傳統(tǒng)流速儀流測(cè)范圍一般是 0.01 m/s 以上的流速，沒(méi)有流向判別。

3 ADCP 測(cè)量方法 [3]

黃屋屯站采用的 ADCP 測(cè)流主要為連續(xù)實(shí)測(cè)河道斷面一定范圍內(nèi)的平均流速，稱為 ADCP 指標(biāo)流速，通過(guò)分析 ADCP 指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系，根據(jù)指標(biāo)流速，計(jì)算斷面平均流量。

3.1 測(cè)量特點(diǎn)

1）方法簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量少；2）測(cè)驗(yàn)誤差小，有流向判別；3）性能不太穩(wěn)定，每年都要進(jìn)行一定數(shù)量的比測(cè)；4）使用周期短，價(jià)格高，一般使用壽命為 10 a 左右。

3.2 測(cè)量原理

ADCP 是利用向水中發(fā)射超聲波束，由隨水移動(dòng)的懸浮顆粒反射，發(fā)生多普勒頻移，通過(guò)高分辨的儀器接收、解算返回波束頻率的差別得到瞬時(shí)流速。

3.3 儀器安裝

ADCP 安裝在起點(diǎn)距 34 m 處由 2 支角鋼做成的支架上，架頂高于儀器 0.40 m，不露出水面，不易掛漂浮物，ADCP 測(cè)流斷面位于基本水尺斷面下游10 m，距離流速儀測(cè)流斷面 7.5 m，儀器位置的河底高程為 -1.55 m，儀器高程 -1.05 m，儀器高程比歷史最低水位低 0.53 m，距離河底 0.50 m。黃屋屯站ADCP 安裝示意圖如圖 1 所示。

圖1 黃屋屯站 ADCP 安裝示意圖

根據(jù) ADCP 制造公司提供的參數(shù)，波束中心水深與最大測(cè)量單元為 1∶40，波束射角 3° 無(wú)障礙物，也就是測(cè)量距離為 80 m 時(shí)，80 m 處的水深要保證 4 m 以上。黃屋屯站歷年實(shí)測(cè)最低水位為 - 0.52 m。

測(cè)量區(qū)間用 2～28 m（起點(diǎn)距 36～62 m），儀器高程 -1.05 m，此時(shí)儀器中心的最小水深為 0.53 m，如果儀器安裝絕對(duì)水平則量程只能達(dá)到 21 m（28 m 量程需要最小水深 0.73 m）。此處河底高程為 -2.6 m，距儀器平面 1.55 m，在此量程下不受河底的影響。

由于儀器沒(méi)有安裝姿態(tài)調(diào)整裝置，安裝未達(dá)到絕對(duì)水平，有可能發(fā)射的聲波打到水面或者河底，引起儀器流速測(cè)量時(shí)的干擾，在低、高水位進(jìn)行波束檢查，在測(cè)量范圍內(nèi)未見(jiàn)回波干擾，信號(hào)強(qiáng)度足夠，測(cè)量范圍合理，ADCP 流速數(shù)據(jù)可供使用。設(shè)置平均間隔 60 s，采樣間隔 300 s。

3.4 儀器使用

黃屋屯站采用的 ADCP 是 500 kHz 定點(diǎn)式（橫向測(cè)驗(yàn)）ADCP，是側(cè)置式多普勒流速儀器，安置在河岸 1 側(cè)，測(cè)量水下特定區(qū)域范圍的層流速（指標(biāo)流速），這和傳統(tǒng)的代表垂線的作用是相同的，可以在線監(jiān)測(cè)。但測(cè)量后，還須用指標(biāo)流速和斷面平均流速建立關(guān)系（即相關(guān)分析法或回歸法），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷面流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

儀器測(cè)量參數(shù)如下：

1）測(cè)量流速范圍為 ± 6 m/s；2）分辨率為 0.001 m/s；3）精度為測(cè)量流速的 ± 1 % ；4）實(shí)測(cè)的最大水平單元長(zhǎng)度為 120 m；5）采樣間隔為10～43200 s；5）儀器記錄器帶有 2 MB 的存儲(chǔ)量，可以存儲(chǔ) 100000 個(gè)采樣數(shù)據(jù)。

整個(gè) ADCP 系統(tǒng)由水下探頭和實(shí)時(shí)處理軟件 2 部分組成，探頭上部為 2 個(gè)可發(fā)射與儀器垂直方向呈 25° 角聲學(xué)波束的換能器，用來(lái)測(cè)得水層段內(nèi)的平均流速；實(shí)時(shí)處理軟件通過(guò)儀器的 RS-232 接口可對(duì)采樣頻次、單元長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，連接計(jì)算機(jī)時(shí)可實(shí)現(xiàn)水位、流速和流量的實(shí)時(shí)顯示，采用自動(dòng)連續(xù)測(cè)量配置模式時(shí)可以脫開(kāi)計(jì)算機(jī)對(duì)流速自動(dòng)連續(xù)采樣并存儲(chǔ)。由于本站沒(méi)有配備專用的電腦，外接設(shè)備只有連接 12 V 的直流電源。需要數(shù)據(jù)時(shí)只要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出處理即可。

定點(diǎn)式 ADCP 每 5 min 采集 1 個(gè)流速數(shù)據(jù)，采集的流速過(guò)程如圖 2 所示。從圖 2 看出，實(shí)測(cè)流速點(diǎn)據(jù)分布在 ADCP 流速過(guò)程線上（或 2 側(cè)）。

圖2 2006年7 月黃屋屯站實(shí)測(cè)流速過(guò)程線圖

3.5 流速、流量比測(cè)和率定

用常規(guī)流速儀法對(duì) ADCP 的實(shí)測(cè)流速、流量進(jìn)行比測(cè)分析，率定 ADCP 的實(shí)測(cè)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，求出相關(guān)系數(shù)，從而根據(jù) ADCP 實(shí)測(cè)指標(biāo)流速推求流量。

3.5.1 流速比測(cè)與率定

2006 年通過(guò)比測(cè)，將 2 種儀器的同步流速數(shù)據(jù)，使用回歸分析進(jìn)行計(jì)算，繪制 ADCP 指標(biāo)流速vADCP與實(shí)測(cè)斷面平均流速 vC關(guān)系曲線，關(guān)系曲線如圖 3 所示 ?；貧w方程式為：

相關(guān)系數(shù) R = 0.99820

圖3 2006 年黃屋屯站實(shí)測(cè)流速與 ADCP 流速關(guān)系圖

從相關(guān)系數(shù)看出斷面平均流速與 ADCP 所測(cè)流速有較好關(guān)系。

3.5.2 流量比測(cè)分析

2006年ADCP 流速關(guān)系率定后，2008 年共比測(cè) 2 次，比測(cè)樣本包括洪水、潮洪混合和潮流量。其中代表線法流量 11 次，均為漲潮負(fù)流量，多線多點(diǎn)法流量測(cè)次 43 次，流量總測(cè)次 54 次。測(cè)流水位在 - 0.52～6.19 m 之間，斷面平均流速在 - 0.41～2.27 m/s 之間，流量為 - 241～2200 m3/s。

2008 年比測(cè)測(cè)次主要為儀器安裝后遇到的最大洪水過(guò)情，按水位級(jí)布置測(cè)次如下：3.00 m 以下有 32 個(gè)測(cè)次，3.00～4.00 m 有 8 個(gè)測(cè)次，4.00～5.00 m有 6 個(gè)測(cè)次，5.00～6.00 m 有 5 個(gè)測(cè)次，6.00 m 以上 4 個(gè)測(cè)次，各水位級(jí)分布均勻。

按流速級(jí)布置測(cè)次如下：- 0.41～0.00 m/s 有 11 個(gè)測(cè)次，0.00～0.50 m/s 有 7 個(gè)測(cè)次，0.50～1.00 m/s有 7 個(gè) 測(cè) 次 ， 1.00 ～ 1.50 m/s 有 10 個(gè) 測(cè) 次 ，1.50～2.00 m/s 有 9 個(gè)測(cè)次，2.00 m/s 以上 6 個(gè)測(cè)次，各流速級(jí)分布均勻。

按 ADCP 指標(biāo)流速分段：1.58 m/s 以下有 34 個(gè)測(cè)次，1.58 m/s 以上有 20 個(gè)測(cè)次。

2008 年比測(cè)收集的流速流量資料比實(shí)測(cè)最低水位高 0.01 m，比實(shí)測(cè)最高水位低 2.84 m，各水位級(jí)、流速級(jí)分布均勻，點(diǎn)據(jù)足夠，定點(diǎn)式 ADCP 從安裝至今流速采樣正常，記錄完整，滿足關(guān)系線分析的要求。比測(cè)關(guān)系如圖 4 所示。從圖 4 看出，實(shí)測(cè)流量與 ADCP 計(jì)算流量關(guān)系良好，可直接采用。

圖4 2008 年黃屋屯站實(shí)測(cè)流量與 ADCP 流量關(guān)系圖

3.5.3 流量資料整編成果誤差分析

黃屋屯站在不受洪水影響情況下用定潮汐要素法推流，洪水及洪潮混合時(shí)按連時(shí)序法定線推流。比測(cè)期間只有 1 場(chǎng)洪水，起始時(shí)間為 2008年8月7日 18時(shí) 6 分，結(jié)束時(shí)間為 8月11日 5 時(shí)。使用 ADCP 計(jì)算的與人工定線推算的次洪水量進(jìn)行比較，次洪水總量誤差為 0.41 %，最大流量誤差為 - 0.46 %。具體誤差統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 次洪水洪量誤差統(tǒng)計(jì)表

3.5.4 率定資料質(zhì)量評(píng)定

用復(fù)合線性關(guān)系式計(jì)算流量誤差統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)誤差為 0.61 %，標(biāo)準(zhǔn)差為 3.40 %，不確定度 6.80 %，達(dá)到 SD121-84《水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的流量測(cè)驗(yàn)精度要求。

根據(jù) SL337-2006《聲學(xué)多普勒測(cè)流規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定：采用橫向法的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，其流量測(cè)驗(yàn)精度應(yīng)滿足 SLl95-97《水文巡測(cè)規(guī)范》要求。

SLl95-97規(guī)定：不能進(jìn)行單值化處理的非單一水位流量關(guān)系線的 2 類精度的水文站，次洪水總量誤差小于 6 %。ADCP 測(cè)驗(yàn)次洪水總量誤差為0.41 %，達(dá)到 1 類精度水文站測(cè)驗(yàn)精度要求。

4 測(cè)驗(yàn)方法比較

1）采用 ADCP 實(shí)時(shí)測(cè)流，每 5 min 采集 1 個(gè)數(shù)據(jù)，直接采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法推流，避免了傳統(tǒng)流速儀測(cè)法定線推流，減輕了水文站測(cè)流壓力，同時(shí)也簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)定線推流的復(fù)雜性，減少了查圖的任意性，降低了推流誤差。

2）傳統(tǒng)流速儀測(cè)速分辨率為 0.01 m/s，ADCP 測(cè)速分辨率為 0.001 m/s；ADCP 測(cè)速分辨率更接近漲（落）潮憩流時(shí)流速，測(cè)驗(yàn)精度大大提高。

3）傳統(tǒng)流速儀無(wú)流向判別，測(cè)潮時(shí)只能測(cè)水面流速，目測(cè)流向；ADCP 能測(cè)特定水層的指標(biāo)流速，測(cè)速范圍 ± 6 m/s。

4）采用 ADCP 實(shí)時(shí)測(cè)流，只要建立指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系，就能實(shí)現(xiàn)斷面流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線及遙報(bào)流量。

5 結(jié)語(yǔ)

水位對(duì) ADCP 指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系式有影響，高（低）水相關(guān)關(guān)系不同。比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明：黃屋屯站的 ADCP 的位置和采樣區(qū)域主要在一定范圍內(nèi)，其代表性良好，相關(guān)關(guān)系式按流速分為 2 段可滿足流量測(cè)驗(yàn)精度。黃屋屯站用ADCP 進(jìn)行的潮流量比測(cè)結(jié)果表明，對(duì)流量變化相對(duì)比較規(guī)律的感潮水文站來(lái)說(shuō)，定點(diǎn)式 ADCP 是比較適合使用的，其測(cè)量成果既達(dá)到流量測(cè)驗(yàn)的精度要求，又減少了工作量，對(duì)這類水文站來(lái)說(shuō)，這種儀器是比較適用的測(cè)量設(shè)備。若該設(shè)備使用穩(wěn)定性能提高到常規(guī)流速儀的水平，則更好。

[1]水利部. GB50179-93 河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993: 17-40.

[2]中國(guó)水電出版社. SL247-1999 水文資料整編規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水電出版社，2000: 45.

[3]中國(guó)水電出版社. SL337-2006，聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水電出版社，2006: 2-12.