H-ADCP在太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)的應(yīng)用技術(shù)探討

徐衛(wèi)東 ，毛新偉 ，俞曉亮 ，林其彬

（1.太湖流域水文水資源監(jiān)測局，江蘇 無錫 214024；2.無錫太湖國家旅游度假區(qū)規(guī)劃建設(shè)局，江蘇 無錫 214024）

0 引言

太湖流域地處長江三角洲南緣，濱江臨海，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市化程度最高的地區(qū)之一。流域內(nèi)平原河網(wǎng)地區(qū)水網(wǎng)錯綜復(fù)雜，上下游比降極小，流速緩慢，部分河道受潮汐影響明顯，流向往復(fù)不定，因此在流域平原河網(wǎng)地區(qū)實(shí)現(xiàn)水量精確監(jiān)控難度很大。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，太湖流域水文部門需適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展要求，應(yīng)用適合平原河網(wǎng)地區(qū)的先進(jìn)的流量測驗(yàn)工具和技術(shù)方法，提高水文測驗(yàn)的精度。

太湖流域水文水資源監(jiān)測局從 2005 年開始引進(jìn)固定式多普勒測流儀（H-ADCP）測流技術(shù)，先后在太湖流域的太浦閘、張橋和金澤水文站使用，目前儀器運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠。本文以太浦閘水文站H-ADCP 的應(yīng)用為實(shí)例，對 H-ADCP 在平原河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)用過程中所要注意的主要技術(shù)問題進(jìn)行探討。

1 H-ADCP 簡介

H-ADCP 是利用聲學(xué)多普勒原理測量水流流速剖面的水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀，通過測量代表流層的流速（指標(biāo)流速），再通過大斷面資料推算得到斷面流量[1]。工作時利用聲波換能器作傳感器，通過向水中水平發(fā)射固定頻率的短脈沖，脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收回波信號，經(jīng)測定多普勒頻移而測算出該水平層的流速，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一起可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時監(jiān)測河流斷面的流速流量過程[2-3]。H-ADCP 操作較為簡便，一般安裝在測流斷面岸壁或河床底部，適合在流向往復(fù)不定、河流條件復(fù)雜的斷面上進(jìn)行流量測驗(yàn)。

2 太湖流域 H-ADCP 安裝技術(shù)要求

2.1 安裝斷面選擇

H-ADCP 儀器安裝具有一定的局限性，河床受沖淤影響嚴(yán)重（每次測流時需要實(shí)測斷面）、河床生長水草、河流泥沙含量高、水位暴漲暴落的斷面，需要審慎應(yīng)用 H-ADCP 測流技術(shù)。太湖流域平原河網(wǎng)河流泥沙含量不高，基本沒有水位暴漲暴落的現(xiàn)象，除少部分河道斷面水草生長茂盛外，大都滿足 H-ADCP 安裝使用條件。如需要在水草茂盛的河道安裝，需定期對測流斷面進(jìn)行清理。H-ADCP安裝位置一旦確定下來，要盡量保持不變，保證儀器固定地對同一個流層（或垂線）進(jìn)行監(jiān)測，使所測流量系列具有較好的一致性。

2.2 H-ADCP 選型

太湖流域使用的 H-ADCP 按照測速聲學(xué)頻率劃分，目前有 3 種，分別是 1200，600，300 kHz，具體技術(shù)指標(biāo)比較如表1 所示。

表1 不同型號 H-ADCP 技術(shù)指標(biāo)比較表

在儀器選型前，應(yīng)先調(diào)查清楚儀器安裝斷面的基本水文情況，包括大斷面，最高、最低、常水位，河床地質(zhì)，最大、小流速，水溫范圍，泥沙狀況等資料，再根據(jù)儀器的技術(shù)指標(biāo)及實(shí)際斷面情況進(jìn)行選型。

選型時首先考慮最大剖面寬度指標(biāo)，一般選擇的儀器的最大剖面寬度大于 1/2 斷面寬；其次考慮盲區(qū)、最大采樣速率、最小單元長度等技術(shù)參數(shù)，盲區(qū)越小越好，采樣速率越高越好，單元長度越小越好。

以太浦閘水文站斷面為例，該斷面按實(shí)測最低水位水面寬 180 m，按實(shí)測最高水位水面寬 185 m，斷面呈寬淺形特征，主槽在 68～128 m 之間。斷面河底主要成分為硬泥，斷面受沖刷影響很小。最大水深超過 6.00 m，最高水位 5.00 m，最低水位 2.20 m，正常水位 2.50～3.50 m，最大流速 1.50 m/s，最小流速 0.00 m/s。 故太浦閘水文站宜選擇 600 kHz 的H-ADCP 儀器。

2.3 換能器位置的選擇

H-ADCP 換能器的位置安裝是關(guān)鍵，一般可在AutoCAD 軟件上繪制測量斷面的大斷面圖，以最低水位確定水面線，假定換能器安裝位置，然后根據(jù)波束角繪制波束發(fā)射的范圍。如果波速發(fā)射范圍超出河床或水面范圍，應(yīng)重新調(diào)整換能器位置，然后再計(jì)算，直至出現(xiàn)合適的安裝位置。如果總是不能得出合適位置，可對斷面進(jìn)行開挖，重新測量大斷面后，再計(jì)算出合理位置。

以太浦閘水文站 600 kHz 的 H-ADCP 為例，實(shí)測最低水位 2.20 m 為限制，波束角為 1.5°，先假定將換能器安裝在斷面某一位置，經(jīng)過 AutoCAD 軟件計(jì)算得出，波速發(fā)射范圍超出河床或水面范圍，調(diào)整位置后，重新計(jì)算，還是超出范圍，最終只能選擇開挖斷面，重新測量、計(jì)算得出換能器安裝位置（起點(diǎn)距 10.0 m，高程 1.75 m），換能器的安裝位置示意圖如圖 1 所示。

圖1 太浦閘水文站 H-ADCP 換能器的安裝位置示意圖

2.4 水位數(shù)據(jù)的引用探討

H-ADCP 具備水位測量的垂向波束，但易受水中漂浮物和水生動植物的影響，水位測量精度將無法保障，因此可采取將水文站已有的自記式水位計(jì)的數(shù)據(jù)，通過采集平臺上的 RS-232 接口，傳輸給H-ADCP 測流軟件的方式，使 H-ADCP 流量計(jì)算直接引用浮子水位計(jì)數(shù)據(jù)，提高水位測量精度。

3 H-ADCP 的比測及參數(shù)率定

H-ADCP 在線實(shí)時測流分為以下 3 步：1）建立 H-ADCP 測量指標(biāo)流速與整個斷面平均流速的關(guān)系；2）確定過水?dāng)嗝婷娣e；3）通過平均流速與斷面面積計(jì)算出斷面流量。第 1 步是關(guān)鍵，此關(guān)系的建立與 H-ADCP 流速單元的選取、工作參數(shù)的設(shè)置等有直接關(guān)系。

3.1 指標(biāo)流速的選擇

指標(biāo)流速選擇是指選擇穩(wěn)定的流速，但穩(wěn)定的流速受水流條件限制而各不相同。指標(biāo)流速的選擇是比測的關(guān)鍵。一般情況下，選擇穩(wěn)定指標(biāo)流速的方法有以下 2 種：

1）圖解法。選擇不同水流條件下的流量測次，樣本數(shù)大于 30 個，通過回放每個測次的回波強(qiáng)度的圖像，選擇 30 個測次中某段回波強(qiáng)度衰減最小的范圍，用該范圍流速作為指標(biāo)流速vi。例如圖 2 中，回波強(qiáng)度曲線 I 在 40～60 m 處出現(xiàn)了較大的波折，故指標(biāo)流速選擇范圍僅能在 0～40 m 內(nèi)選擇；圖 3中，回波強(qiáng)度曲線 II 較平滑，故指標(biāo)流速的范圍是0～90 m。

圖2 H-ADCP 回波強(qiáng)度曲線 I

圖3 H-ADCP 回波強(qiáng)度曲線 II

2）數(shù)列統(tǒng)計(jì)法。挑選不同水流條件下的流量測次，樣本數(shù)大于 30 個，將每個流量測次中單元體流速列出，對所有單元體流速數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)列統(tǒng)計(jì)中的離散性分析，綜合 30 個樣本的結(jié)論，找出指標(biāo)流速的范圍。

3.2 大斷面的確定

H-ADCP 流量計(jì)算可直接采用水位數(shù)據(jù)讀取相應(yīng)的大斷面數(shù)據(jù)。因此，在流速比測前需進(jìn)行大斷面測量，然后根據(jù)大斷面資料，計(jì)算出不同水位系列對應(yīng)的斷面過水面積系列，用斷面過水面積 A 與水位 Z 建立關(guān)系，即 A = ? (Z)。由于河道斷面是穩(wěn)定的，通過讀取水位就能確定過水?dāng)嗝婷娣e。

3.3 流速相關(guān)參數(shù)率定及測流斷面流量的計(jì)算

平均流速v是指測流斷面的平均流速，一般可以采用同一斷面上流速儀法或走航式 ADCP 測流法得到。充分考慮不同水位和流量級對水位流速關(guān)系的影響，獲取不同水情情況下的比測資料。得到同一時刻 H-ADCP 的指標(biāo)流速vi及全斷面的平均流速v。比測數(shù)據(jù)可采用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行率定，運(yùn)用多種回歸方程進(jìn)行比較分析，通過相關(guān)系數(shù)、系統(tǒng)偏差、不確定度等指標(biāo)最終確定回歸方程和相關(guān)參數(shù)。相關(guān)參數(shù)的率定應(yīng)在不同水情條件下進(jìn)行多次比測，并需在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)，率定結(jié)果的好壞直接影響 H-ADCP 測流精度。太浦閘水文站流量比測相關(guān)參數(shù)率定圖如圖 4 所示。

圖4 太浦閘水文站流量比測相關(guān)參數(shù)率定圖

經(jīng)多次比測后，建立指標(biāo)流速vi與斷面平均流速v的相關(guān)關(guān)系，即v= ?(vi)；再根據(jù)斷面面積，計(jì)算斷面流量 Q，即 Q = vA = ? (vi) ? (Z) 。

3.4 誤差分析

太湖流域使用的 H-ADCP 儀器指標(biāo)中的理論單次測量誤差 ≤5%。除河道偶然因素的影響外，測量誤差來源主要有以下 2 方面：1）斷面面積，測量誤差一般超過 3%；2）平均流速，平均流速由指標(biāo)流速計(jì)算得出，指標(biāo)流速僅為全斷面穩(wěn)定流態(tài)的一部分流速，故平均流速誤差估算在 2.5% 左右。綜合考慮，H-ADCP 的單次流量誤差會超過 5%，與流速儀法及走航式 ADCP 測流誤差基本相當(dāng)[4-6]。由于H-ADCP 具有連續(xù)測量的功能，儀器可設(shè)定為幾分鐘測量 1 組數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)流量在線監(jiān)測，取其平均值可大大提高逐日流量的測驗(yàn)精度，特別是在平原河網(wǎng)感潮河段。

4 結(jié)語

H-ADCP 儀器安裝及相關(guān)參數(shù)的率定直接影響流量測驗(yàn)精度，在應(yīng)用中要根據(jù)斷面實(shí)際情況，正確安裝使用，并需大量比測確定相關(guān)參數(shù)，提高測量精度。太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)大多河道水流緩慢，雖然 H-ADCP 單次測驗(yàn)精度相對不夠高[7]，但能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測，測驗(yàn)頻次大大提高，對于解決太湖流域因潮汐影響導(dǎo)致河水流向往復(fù)不定、水利工程建設(shè)速度較快導(dǎo)致水流受調(diào)度影響大等難題具有較好的效果。因此，應(yīng)當(dāng)在平原河網(wǎng)地區(qū)的水文測驗(yàn)工作中大力推廣應(yīng)用。

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