ADCP測流方法的應(yīng)用及水位流量關(guān)系序列的延展
——以卡揚(yáng)河為例

高利倫，石中凱，祝成銳，張 婷

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310030）

ADCP測流方法的應(yīng)用及水位流量關(guān)系序列的延展
——以卡揚(yáng)河為例

高利倫，石中凱，祝成銳，張 婷

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310030）

在國外水文資料稀缺的河流進(jìn)行水電工程建設(shè)，流量測驗(yàn)耗資比較昂貴，且難以得到目標(biāo)水位下的流量值。根據(jù)卡揚(yáng)河ADCP測流方法的應(yīng)用獲取的流量資料和同步水位觀測資料，用實(shí)測資料根據(jù)曼寧公式反求糙率，繪制水位糙率曲線，進(jìn)而建立糙率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸?，?duì)特征水位下的流量進(jìn)行推求，從而達(dá)到水位流量關(guān)系序列延展的目的。

ADCP測流；水位；流量；糙率

1 研究背景

水位流量資料是水電建設(shè)規(guī)劃的必需資料，它是決定水庫特征水位和確定水壩下游水位等水位特征值的依據(jù)，對(duì)水電站前期勘察和施工階段的施工組織設(shè)計(jì)也具有實(shí)用意義[1]。傳統(tǒng)流量測驗(yàn)技術(shù)比較復(fù)雜、耗資比較昂貴，難以連續(xù)進(jìn)行，而連續(xù)地觀讀水位則容易辦到，因此通常將連續(xù)的水位資料通過水位流量關(guān)系推算、轉(zhuǎn)換為連續(xù)的流量資料，供水文計(jì)算或水文預(yù)報(bào)分析使用。

印尼卡揚(yáng)河梯級(jí)開發(fā)項(xiàng)目位于印度尼西亞加里曼丹島東加里曼丹省卡揚(yáng)河上，該區(qū)降雨量大，水量豐沛，河流長約100多km，落差約300多m，河流總體規(guī)劃按5個(gè)梯級(jí)開發(fā)，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量可達(dá)400～500萬kW，規(guī)劃5級(jí)電站均為中型以上電站。此處河道徑流受降雨影響漲落迅速，給詳勘階段的河中地質(zhì)鉆孔鉆探和以后的施工導(dǎo)流帶來了很多不利的影響。本區(qū)距離卡揚(yáng)河入?？诩s120 km，交通不便利，架設(shè)纜道設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)流量站難以實(shí)現(xiàn)，因此傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)方法無可行性。應(yīng)用多普勒流速剖面儀測流方法，獲取測驗(yàn)斷面流量數(shù)據(jù)序列，再結(jié)合同時(shí)水位觀測數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測資料進(jìn)行延展，以期為后期梯級(jí)電站的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the research area

2 研究區(qū)概況

卡揚(yáng)河水電開發(fā)規(guī)劃流域位于印度尼西亞東加里曼丹島，地處東經(jīng)115.14°～116.46°，北緯2.03°～2.48°之間，該區(qū)盛行赤道氣團(tuán)，雨量豐沛，無明顯雨季旱季區(qū)別，各月徑流變化不大，河道流量受降雨控制，徑流量大，產(chǎn)匯流速度快，河道水位變化迅速。河道比降較緩，泥沙含量高。

3 數(shù)據(jù)與方法

文中數(shù)據(jù)為ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)，筆者從2013年3月15日開始流量測驗(yàn)工作，同一水位下，進(jìn)行4個(gè)測回的測驗(yàn)，最后流量值取4次測試的平均值。水位流量測驗(yàn)時(shí)間持續(xù)40 d，經(jīng)歷了3次洪水過程，選擇洪水過程中較有代表性的水位和流量［2］。根據(jù)選擇數(shù)據(jù)和控制斷面尺寸，利用曼寧公式反算糙率，繪制水位糙率曲線，對(duì)曲線進(jìn)行指數(shù)擬合，得到糙率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑪M定延展水位下的糙率，根據(jù)擬定糙率，推算延展流量［3］。

3.1 ADCP測流原理簡介

ADCP是聲學(xué)多普勒流速剖面儀的縮寫，它是利用聲學(xué)多普勒原理，對(duì)河道進(jìn)行流量測量。AD?CP可以測量距其一定范圍內(nèi)的許多點(diǎn)的流速。也就是說，一臺(tái)ADCP可以替代許多臺(tái)機(jī)械式電磁式流速儀，能測量河道流速的三維分量：Vx，Vy，Vz。ADCP基于如下的公式計(jì)算流量：

Q=?su·εds （1）

式中：Q為流量，S為河流某斷面面積，u為河流斷面某點(diǎn)處流速矢量，ε為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量，ds為河流斷面上微元面積。

公式（1）可以重新寫為：

式中：T為跨斷面航行時(shí)間，k為垂向單位矢量。

將沿航跡的斷面離散為m個(gè)微斷面，則：

Hi為微斷面i處水深；Δt為相應(yīng)于微斷面的測量時(shí)間平均步長；m為斷面內(nèi)總的微斷面數(shù)目；V為相應(yīng)于每一微斷面的深度平均流速矢量。

深度平均流速V的x方向分量由下式算出（y方向分量相似）：

VxT為表層平均流速（x向分量）；VxM為中部平均流速（x向分量）；VxB為底層平均流速（x向分量）。

借助于指數(shù)流速剖面來推算表層或底層平均流速及流量

U為高度z處的流速；u*為河底剪切流速；z0為河底粗糙高度；b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)=1/6。

岸邊流量估算：Va=α Vm（6）

Va為岸邊區(qū)域平均流速；V為起點(diǎn)微斷面（或終點(diǎn)微斷面）內(nèi)的深度平均流速；α為岸邊流速系數(shù)。

將上述各分量相加，即為測驗(yàn)河道流量。

3.2 ADCP的流量測驗(yàn)注意事項(xiàng)

ADCP換能器安裝方式見圖2。ADCP的測流效果和其換能器的安裝方式有直接關(guān)系，為了保證換能器安全，安裝要牢固。要把換能器安裝在遠(yuǎn)離測船馬達(dá)的地方，這樣能避免馬達(dá)揚(yáng)起的浪花對(duì)測流精度的影響。換能器要有一定的吃水深度，這樣才能保證在測船搖擺時(shí)也不影響換能器的測流狀態(tài)。在測量過程中，船速要緩慢，才能保證換能器的測量精度。

圖2 ADCP換能器安裝方式Fig.2 Installation of the ADCP transducer

與傳統(tǒng)的纜道測流方法比較，ADCP測流具有很大的優(yōu)勢。首先，雖然測流的原理相同，都是在測驗(yàn)斷面垂線上布置多條垂線，并測量多點(diǎn)的流速，但是ADCP測流的測流點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)方法的測流點(diǎn)，從而能達(dá)到傳統(tǒng)方法無法達(dá)到的精度。傳統(tǒng)方法要求測驗(yàn)斷面要垂直于河道，所以傳統(tǒng)方法下，必須架設(shè)纜道，ADCP測流則無此要求，其測流過程和軌跡無關(guān)，所以與傳統(tǒng)方法比較，ADCP測流具有安裝簡單、測量精度高、測驗(yàn)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。ADCP較傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)是因無纜道牽引，當(dāng)河道遭遇非常洪水時(shí)，測流工作依然要在測船上進(jìn)行，測流工作存在很大安全隱患。

圖3 流量測驗(yàn)斷面Fig.3 Cross section in the runoff test

4 結(jié)果與討論

4.1 測驗(yàn)斷面描述

根據(jù)流量測驗(yàn)規(guī)范，所選控制斷面位于一級(jí)上壩址下游3 km處，河面寬闊，上游有500 m左右的基本順直河道，河道無巨型塊石，河道水流基本穩(wěn)定。控制斷面形狀為U型，河道洪水位寬度180.11m，調(diào)查最高洪水位為30 m，調(diào)查最低枯水位為20.90 m，水位變幅9.1 m［4］。測驗(yàn)斷面主河槽為卵礫質(zhì)河床，在常年水位以上，河岸多為粉砂質(zhì)土質(zhì)，有茂盛植被覆蓋。

4.2 水位糙率曲線擬合

實(shí)測序列中的最高水位出現(xiàn)在4月8日，對(duì)應(yīng)最大流量為6 739.53 m3，實(shí)測最低水位出現(xiàn)在3月18日，對(duì)應(yīng)實(shí)測流量為1 153.93 m3，此最高最低水位不是同一個(gè)洪水過程。測驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，水位在23～25 m的范圍內(nèi)波動(dòng)，河道水位基本穩(wěn)定在此水位區(qū)間范圍內(nèi)。根據(jù)水位觀測記錄，在流量測驗(yàn)工作開始前，水位最低值為20.90 m，根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)卮迕竦淖咴L，歷史最高水位為30 m左右。遴選洪水過程中較有代表性的一組水位-流量數(shù)值，利用曼寧公式反算糙率值n，計(jì)算列表見表1。

由上述計(jì)算結(jié)果，建立水位-糙率關(guān)系，并對(duì)實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)函數(shù)曲線擬合。

擬合方程為：f() h=2.0823e-0.1913h。

由擬合多項(xiàng)式對(duì)實(shí)測水位下的糙率進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算流量，將計(jì)算流量和實(shí)測流量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比關(guān)系見表2。

通過上述計(jì)算值和實(shí)測值對(duì)比，誤差均在5%之內(nèi)，誤差符合水文規(guī)范限差，證明樣本擬合曲線和實(shí)際曲線的相似性良好［5］。

表1 糙率計(jì)算過程表Table 1 Process of the roughness calculation

表2 實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比表Table 2 Comparison between the measured value and calculated value

圖4 水位糙率擬合曲線Fig.4 Fitting curve of the water level and roughness

4.3 洪枯水流量延展

將控制斷面洪水位高程代入糙率模型，n（30）= 0.006 701，洪水的平均流速：V均=4.07。則洪峰流量Q洪=AV均，為10 582 m3。經(jīng)過枯水位調(diào)查，控制斷面最低水位為：20.90，則n（20.90）=0.038 209，V均= 0.713，此時(shí)流量為：Q枯=AV均，流量值為：991.07 m3。

5 結(jié)語

卡揚(yáng)河洪峰流量大，洪峰單寬流量為56.25 m3。水量變幅大，最大流量為最小流量的10.68倍，所以對(duì)勘測期河中鉆孔的鉆探和施工期的安全度汛都造成很大威脅。本文利用資料序列較短，由于條件限制，難以測到最高水位或最高水位相近流量，對(duì)延展結(jié)果難以達(dá)到結(jié)論性判斷，只能對(duì)研究斷面水位流量做出半理論性描述［1］。

ADCP的應(yīng)用可以提高測流效率和精度，降低測流成本，使水文工作能為水利工程建設(shè)發(fā)揮很好的尖兵作用。利用實(shí)測的水位流量數(shù)據(jù)，對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行合理的延展，使資料稀缺河流的資料得到擴(kuò)大，使這些資料能夠直接服務(wù)于工程規(guī)劃、施工組織設(shè)計(jì)等工程實(shí)踐［6］。 ■

[1]劉洪波.水文水利計(jì)算[M].鄭州:黃河水利出版社,2006.

[2]聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].

[3]詹道江,葉守澤.工程水文學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

[4]SL58-1993，水文普通測量規(guī)范[S].

[5]林宗信.曼寧公式計(jì)算流量的誤差分析[J].水電能源科學(xué), 2008,26(1):93-96.

[6]SL303-2004,水利水電施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

三峽水庫騰庫防汛進(jìn)入最后階段

據(jù)新華網(wǎng)5月29日14時(shí)許，三峽水庫水位降至150.00 m。至此，三峽樞紐騰庫防汛進(jìn)程進(jìn)入最后5 m消落階段。

水情記錄顯示，自去年底三峽水庫開始補(bǔ)水消落以來，截至今年5月29日，水庫水位已從最高時(shí)的175 m左右消落至150 m，下降了25 m。

目前，長江上游來水約為1萬m3/s，較歷史同期偏枯。三峽樞紐梯級(jí)調(diào)度通訊中心主任肖舸說，為實(shí)施騰庫防汛，使水庫如期降至防汛控制水位，三峽樞紐將根據(jù)上游來水調(diào)控下泄。目前日均下泄流量保持在1.2萬m3/s左右，可保證水庫水位每天以0.4 m左右趨勢下降。

根據(jù)國家防總《關(guān)于三峽工程2013年試驗(yàn)性蓄水實(shí)施計(jì)劃的批復(fù)》，三峽水庫水位將在6月10日長江進(jìn)入主汛期時(shí)，按計(jì)劃下降至145 m左右的防汛控制水位。

As building a hydropower project on a river abroad with little hydrological data,the flow test is expensive and it is difficult to obtain the runoff data with target water level.In this case,we obtained the flow data and synchronous level of Kayan River using the ADCP flow measurement.Then the rough?ness was calculated by Manning formula.According to above-mentioned data,we established the rela?tion between the water level and roughness,and calculated the runoff with the characteristic levels.The result was of great importance to the hydropower project on Kayan River and presented an available method for the data extension of the water level and runoff.

ADCP flow measurement;water level;runoff;roughness

P332

B

1671-1092（2014）03-0023-04

2013-05-31；

2013-07-29

高利倫（1985-），男，山東菏澤人，工程師，從事水文與水資源外業(yè)勘測工作。

Title:Application of the ADCP flow measurement and the extension of water level-runoff relation?ship——a case study of Kayan River,Indonesia//by GAO Li-lun,SHI Zhong-kai,ZHU Cheng-rui and ZHANG Ting//Zhejiang Huadong Surveying and Mapping Co.,Ltd.