浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)方式的探索

◎ 鐘紅偉　廣東省水文局馬口水文站

浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)方式的探索

◎ 鐘紅偉廣東省水文局馬口水文站

采用哨兵式600K ADCP在三水站進(jìn)行代表線(xiàn)垂線(xiàn)平均流速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)與走航式ADCP同步測(cè)流進(jìn)行驗(yàn)證，建立代表線(xiàn)垂線(xiàn)平均流速與斷面平均流速關(guān)系，結(jié)果表明能滿(mǎn)足測(cè)驗(yàn)精度的要求，適宜在珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)受潮汐要素影響的站點(diǎn)推廣應(yīng)用。

哨兵式600K ADCP 垂線(xiàn)平均流速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 代表線(xiàn)法 驗(yàn)證 珠江三角洲 推廣應(yīng)用

1.前言

我國(guó)的珠江地區(qū)水資源豐富，水系分布較多，而且受到上游來(lái)水與下游潮汐的影響作用，再加上當(dāng)?shù)厝嗣癫粩嗥茐纳鷳B(tài)環(huán)境，從而導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐乃鬟\(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜，而采用傳統(tǒng)的水文觀(guān)測(cè)技術(shù)不僅數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性較差，且觀(guān)測(cè)技術(shù)人員的工作量較大，因此無(wú)法對(duì)水文資料數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集與記錄。針對(duì)這種情況，我國(guó)廣東省水文局佛山分局2008年2月25日向水利廳科教處申請(qǐng)采用無(wú)人值守浮標(biāo)自動(dòng)在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，于2008年12月17日得到上級(jí)批準(zhǔn)立項(xiàng)。本項(xiàng)目立足于先進(jìn)儀器和非常規(guī)測(cè)驗(yàn)方式相結(jié)合，改變傳動(dòng)的流量測(cè)驗(yàn)方法，采用哨兵式600K ADCP與浮標(biāo)相結(jié)合，安裝在三水站進(jìn)行應(yīng)用研究。

2.浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)原理

通常而言，浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為ADCP，這一技術(shù)系統(tǒng)在工作運(yùn)行時(shí)主要結(jié)合聲波頻率的變化情況，通過(guò)對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)水文現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷。在實(shí)際的觀(guān)測(cè)過(guò)程中，技術(shù)人員主要利用多普勒頻移原理對(duì)不同數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。一般而言，當(dāng)技術(shù)人員在聲源移向部位進(jìn)行數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)時(shí)水位變高，而在聲源遠(yuǎn)離處進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)，水位變低。在此變化過(guò)程中水位的高低變化同樣也會(huì)引起水流量與水流速的變化，在這一數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器將數(shù)據(jù)發(fā)射功能與數(shù)據(jù)接收功能結(jié)合在一起，技術(shù)人員因此根據(jù)每一個(gè)固定的聲波頻率對(duì)水體中的泥沙以及氣泡等顆粒物散射傳輸回來(lái)的聲波進(jìn)行識(shí)別和判斷。如果水體流速=水體中的顆粒物，因此水體中的泥沙以及氣泡等顆粒物移動(dòng)接近轉(zhuǎn)換器時(shí)，接收裝置中接收到的數(shù)據(jù)頻率要高于發(fā)射器的數(shù)據(jù)發(fā)射頻率；當(dāng)水體中的泥沙以及氣泡等顆粒物移動(dòng)背離轉(zhuǎn)換器時(shí)，轉(zhuǎn)化器中接收到的信息數(shù)據(jù)頻率要低于發(fā)射器中發(fā)射數(shù)據(jù)的頻率，因此從這一運(yùn)行變化原理中可以看出，浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)射頻率和回波頻率之間存在，

其中：

v—顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度，m/s

c—聲波在水中的傳播速度，m/s

浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)的聲波換能器位于同一水平面，因此在實(shí)際的數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程中主要通過(guò)指標(biāo)流速法自動(dòng)監(jiān)測(cè)水道斷面流量。這一技術(shù)的主要運(yùn)用原理是根據(jù)水道斷面的局部流速推斷水道斷面的平均流速。通常情況下利用單點(diǎn)流速推斷水道斷面的平均流速，而指標(biāo)流速采用垂線(xiàn)平均流速進(jìn)行表示。本次觀(guān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)充分根據(jù)水道斷面具體情況，將歷年標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)位置840米作為本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的基點(diǎn)，主要利用浮標(biāo)式無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)水深10m～15m處的水道斷面進(jìn)行觀(guān)測(cè)分析，指標(biāo)流速選用該斷面垂線(xiàn)平均流速進(jìn)行表示。

3.三水水文站概況

三水水文站位于廣東佛山珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)頂部，是我國(guó)一類(lèi)重點(diǎn)站之一，同樣也是北江進(jìn)入三角洲的控制站，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有水位、流量、降水、懸移質(zhì)泥沙與顆粒分析等，是典型的潮洪混合站，汛期受北江上游洪水影響，枯季受潮汐要素影響，汛枯相連季節(jié)受潮洪混合影響。汛期一般采用走航式ADCP或流速儀12條垂線(xiàn)2點(diǎn)法施測(cè)洪水流量，采用水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)推流；枯季的潮流量測(cè)驗(yàn)采用組合方式代表線(xiàn)法施測(cè)，根據(jù)多年的代表線(xiàn)驗(yàn)證，選用起點(diǎn)距為840米的垂線(xiàn)位置，潮流量測(cè)驗(yàn)一般采用流速儀2點(diǎn)法逢整點(diǎn)施測(cè)，在轉(zhuǎn)潮附近和負(fù)流部分逢30分鐘加測(cè)一次，測(cè)速歷時(shí)均大于100秒。

三水水文站測(cè)流斷面位于基本水尺斷面下游約380米處，斷面主槽為規(guī)則U型，兩岸有較大的灘地，主槽受上下游挖沙和水流沖刷的共同影響，近幾年有明顯的下切趨勢(shì)，同級(jí)水位下流量逐年增大，枯季漲潮流有逐年增大的趨勢(shì)，引進(jìn)浮標(biāo)在線(xiàn)自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)主要解決枯水期潮流量測(cè)驗(yàn)，替代目前使用代表線(xiàn)流速儀船測(cè)的方法，并且能較好地反映整個(gè)潮流的變化過(guò)程，對(duì)資料質(zhì)量有一定的提高。

4.浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)的安裝調(diào)試

4.1浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)的安裝浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)為駿馬牌哨兵型600kHzADCP設(shè)備。豐水期，在設(shè)備安裝時(shí)將這一設(shè)備安裝于測(cè)流斷面中，枯水期儀器安裝距離測(cè)流斷面右岸間隔100米，通過(guò)直徑與長(zhǎng)分別為Φ250mm與45m的錨鏈，在測(cè)流斷面的上下游各拋二個(gè)一噸重的水泥沉塊，把浮標(biāo)固定在本站測(cè)流斷面起點(diǎn)距840米處，水流流動(dòng)和水面風(fēng)向基本不影響浮標(biāo)在斷面的位置。安裝完畢，將哨兵型ADCP數(shù)據(jù)線(xiàn)、GPS數(shù)據(jù)線(xiàn)、GPRS通訊線(xiàn)及其他輔助設(shè)備線(xiàn)連接到數(shù)據(jù)采集器，接通各個(gè)設(shè)備的電源。

表1　比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

表2　時(shí)段潮量誤差統(tǒng)計(jì)表

4.2浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w的水文情況，對(duì)哨兵型浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)軟件相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置：

哨兵型ADCP入水深度：1.0m

浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)指標(biāo)流速采樣單元參數(shù)為0.5m

浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)最大單元層數(shù)設(shè)定為40

浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)采樣周期與采樣間隔分別設(shè)定為10s與1800s。

5.比測(cè)率定分析

5.1測(cè)驗(yàn)方法

5.1.1流速

采用傳統(tǒng)的懸索流速儀定點(diǎn)法，根據(jù)ADCP儀器設(shè)定的時(shí)間同步進(jìn)行流速比測(cè)，以常規(guī)流速儀法測(cè)得流速為準(zhǔn)。

5.1.2流量

根據(jù)哨兵型ADCP設(shè)定的測(cè)驗(yàn)頻率，對(duì)流量測(cè)驗(yàn)時(shí)利用船載走航式ADCP在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行同步測(cè)驗(yàn)分析。結(jié)合實(shí)際的水流情況，選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間段進(jìn)行觀(guān)測(cè)分析，1.0m/s～3.0m/s為測(cè)船航速。汛期與枯水期分別按洪水漲落情況與潮別類(lèi)型進(jìn)行科學(xué)測(cè)驗(yàn)分析，流量測(cè)驗(yàn)沿本站測(cè)流斷面往返走測(cè)一個(gè)完整的周期，目測(cè)估算起始位置與終了位置。在此測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，一個(gè)完整的往返流量誤差需要嚴(yán)格控制在±5%范圍內(nèi)，該斷面流量取其平均值，計(jì)算斷面平均流速時(shí)還需要采用平均值再除以過(guò)水面積；如果測(cè)驗(yàn)指標(biāo)誤差超限，則需二次返測(cè)，以此判斷短時(shí)間內(nèi)流量變化情況。流量測(cè)驗(yàn)的目的是取得該次流量相應(yīng)的斷面平均流速，與浮標(biāo)固定式ADCP所測(cè)的垂線(xiàn)平均流速建立關(guān)系。

5.1.3潮流量

選取本站進(jìn)行潮流量組合測(cè)驗(yàn)（流速儀法）的資料成果與浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)的資料成果進(jìn)行比對(duì)，分別計(jì)算潮期潮量，以分析總水量是否平衡。

5.2浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流資料整理分析

5.2.1浮標(biāo)式ADCP在線(xiàn)測(cè)流流速比測(cè)分析

流速比測(cè)時(shí)要選擇不同水流條件下的檢測(cè)時(shí)段，按照常規(guī)流速儀法測(cè)得垂線(xiàn)平均流速為準(zhǔn)，與哨兵型ADCP同步流速比對(duì)，比測(cè)誤差如表1所示。結(jié)果是令人滿(mǎn)意。

5.2.2流量率定分析

2009年9月～2010年3月期間，組織人力進(jìn)行流量實(shí)時(shí)比測(cè)，比測(cè)成果見(jiàn)下表。本次率定測(cè)驗(yàn)工作共收集83個(gè)測(cè)次，流量率定期間水位變幅為-0.35m～0.87m，-0.23m/s～0.45m/s為斷面平均流速變幅。這一變化幅度采用計(jì)算機(jī)定線(xiàn)和誤差分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明定線(xiàn)精度符合具體的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2.3潮流量分析

選取2009年10月18日至11月4日潮流量組合測(cè)驗(yàn)資料與同期浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)的資料進(jìn)行對(duì)比，時(shí)段潮量誤差見(jiàn)表2。

根據(jù)上表資料的分析，個(gè)別潮期潮量略有差別，主要是計(jì)算時(shí)間和代表線(xiàn)關(guān)系不同造成的；但對(duì)于整個(gè)潮期來(lái)說(shuō)，漲潮量誤差為3.2%，落潮量誤差為0，凈泄量誤差為-1.4%，水量基本平衡，大大小于水文規(guī)范規(guī)定的±5%的誤差，完全滿(mǎn)足水文規(guī)范的要求。

6.結(jié)論

（1）從以上研究過(guò)程不難看出，浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)技術(shù)較為先進(jìn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確，而且便于安裝，運(yùn)行成本不高，運(yùn)行維護(hù)較為容易，與此同時(shí)這一設(shè)備在數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程中受外界干擾較少，檢測(cè)適應(yīng)性較強(qiáng)。

（2）代表線(xiàn)法與浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)的潮流量測(cè)驗(yàn)方法一致，浮標(biāo)式ADCP斷面平均流速與指標(biāo)流速關(guān)系線(xiàn)采用三線(xiàn)檢驗(yàn)，定線(xiàn)精度與預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)要求一致。

（3）浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)的成功使用，將徹底改變以前潮流量測(cè)驗(yàn)的方式，有效減少測(cè)站的工作量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全年流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，能準(zhǔn)確反映本站的水流特性，從而為珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)水文預(yù)報(bào)與測(cè)驗(yàn)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

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