影響H-ADCP在合江水文站應(yīng)用的環(huán)境因素分析

董 暢

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000）

合江水文站設(shè)于1953年4月，站址位于廣東省鑒江第一大支流羅江流域上的化州市合江鎮(zhèn)塘墩村內(nèi)。該站為羅江流域上的控制站，是因本地區(qū)的水情、水資源開發(fā)利用和其他國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要而設(shè)立的。合江站附近竹林茂盛，雜草叢生，河流通航。隨著城鎮(zhèn)的不斷發(fā)展，測流斷面上游4.2 km處設(shè)有攔河壩1座，由于河段前期受挖沙影響，河道變化劇烈且淤沙嚴(yán)重。隨著社會(huì)發(fā)展對水位資料要求的提高，傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)方法存在流量推球的滯后性，難以滿足社會(huì)對水資源的監(jiān)控需求。為了解決存在的問題，現(xiàn)擬用H-ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測流，已展開后續(xù)比測工作。

1 測站測驗(yàn)環(huán)境及水流情況

測流斷面（同基本水尺斷面重合）為沙質(zhì)河床，該站上下游河段較為順直，測驗(yàn)河段右岸為土質(zhì)坡地堤圍，河兩岸竹林茂盛，下游約50 m處有一座9孔公路大橋。原有茂盛的竹林阻礙了纜道測流的鉛魚行進(jìn)方向，且合江站地處暴雨、雷電高發(fā)地區(qū)，頻發(fā)的雷電和岸邊的竹林對洪水期間的監(jiān)測和日常的測流有著非常不利的影響。后雖然經(jīng)過治理，左岸竹林得以砍伐，邊坡做成水泥漿砌塊石護(hù)坡，但雷電問題仍未得到解決。在暴雨、雷電期間，有時(shí)甚至必須關(guān)閉電閘以保護(hù)其他儀器設(shè)備。

2 儀器安裝環(huán)境位置選擇和斷面穩(wěn)定性分析

合江站斷面河床為沙質(zhì)，河段較為順直，河床坡降平緩，2011-2013年，測流斷面變幅穩(wěn)定。然而從2014年起，合江站斷面附近開始有居民進(jìn)行挖沙活動(dòng)，導(dǎo)致2014-2016年斷面逐年加深、變化劇烈。2016年10月，當(dāng)?shù)卣【喭谏炒?，停止?dāng)?shù)鼐用竦耐谏郴顒?dòng)，大斷面變化又趨于平緩，為安裝H-ADCP創(chuàng)造了有利環(huán)境。

綜合考慮流速儀測流斷面、測流斷面上下游10 m與20 m的斷面情況和周圍的環(huán)境情況，為保證數(shù)據(jù)信號和電力傳輸?shù)谋憷裕乐贡槐I或者遭人為破壞，便于日常維護(hù)，最終選擇在水位臺上流速儀測流斷面位置使用導(dǎo)軌式支架安裝儀器。

經(jīng)過對多年逐日水位的分析，儀器的安裝高程選在17.49 m。合江站一年大部分時(shí)間水位18.53 m，能保證儀器的有效運(yùn)行。

3 環(huán)境因素影響及測流方式比較

傳統(tǒng)的測流手段，如涉水測流或者傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀，不僅極度依賴于測流環(huán)境、水流情況和河流的實(shí)時(shí)情況，還受限于天氣情況對設(shè)備和施測人員安全造成的影響。涉水測流只能應(yīng)用于斷面較淺的河道，人員安全存在隱患，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀需要人工精確的記錄和計(jì)算，并且測流時(shí)間長，對測流人員的人數(shù)有需求，無法在人數(shù)有限、天氣條件不好的條件下進(jìn)行。

在傳統(tǒng)測流手段的作用下，纜道測流解決了原有的人員安全、人數(shù)限制和雨水問題，同時(shí)又存在新的問題。河面漂浮物和雷電等因素會(huì)影響纜道測流。不論是在日常河流監(jiān)測還是在洪水監(jiān)測期間，纜道測流都需要時(shí)刻關(guān)注河面是否有漂浮物，防止漂浮物纏繞在纜道或者上升、下落過程中的流速儀上，造成纜道、儀器的損壞。同時(shí)，纜道測流依賴于電力系統(tǒng)，在雷電頻發(fā)的地區(qū)，防雷電裝置并不能百分之百地保護(hù)測站的電力設(shè)施，只能依靠測站人員根據(jù)實(shí)際情況判斷關(guān)閉電閘，待雷電情況過去后，才能重新開始測流，這對把握洪水變化情況是非常不利的。

另外，隨著社會(huì)的發(fā)展，中小型水利工程的建設(shè)造成僅僅依靠水位的變化難以判定河流流量的變化。利用走航式ADCP進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果表明，受水利工程影響的河流，洪峰過后，水位不變的一段時(shí)間里，流量迅速降低。水利工程對河流流量變化的影響大，流量變化時(shí)間短，纜道測流難以把握住水位-流量關(guān)系的變化，造成人工測流的結(jié)果不準(zhǔn)確，精度不夠。

走航式ADCP是另一種利用ADCP儀器進(jìn)行測流的方式，依托遙控船或纜道能夠進(jìn)行河流流量變化的監(jiān)測。依托纜道的走航式ADCP有和纜道測流一樣的弊端；而依托遙控船的ADCP，遙控船的使用是受限于河流表面流速5 m/s的，在面臨大洪水測流時(shí)，其無法使用。同時(shí)，走航式ADCP在河流兩岸存在大量水草、河底走沙情況嚴(yán)重的情況下，測流精度存在很大的偏差。水草和河底走沙都會(huì)對ADCP的測流波速產(chǎn)生影響，從而造成波速無法達(dá)到河底，測量結(jié)果的斷面面積比實(shí)際河段斷面小，且河底走沙影響測流流速的結(jié)果。該方式只有在河段水草生長不茂盛、泥沙含量較小的環(huán)境下才能得到較好的結(jié)果，不能滿足現(xiàn)階段的測流要求。同時(shí)，ADCP儀器設(shè)備費(fèi)用較高，洪水期一旦產(chǎn)生意外，維修、購買費(fèi)用都非常高昂，不建議用作特殊時(shí)期的測流手段。

H-ADCP在線測流可以保障人員安全，不受河面小體積的漂浮物影響。當(dāng)大體積的漂浮物影響探頭，或者河流含沙量過高造成測流結(jié)果有誤時(shí)，測站人員可以通過平滑流量過程的方式解決數(shù)據(jù)的突變。同時(shí)，人們可以采用更科學(xué)的方式布設(shè)傳輸纜道和電力設(shè)備，將原有的依靠插頭獲取電力的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹边B電箱和電閘的方式，最大限度地保障電力的傳輸，將雷電和周圍環(huán)境的影響降至最低。通過智能采集數(shù)據(jù)，以十分鐘一個(gè)的數(shù)據(jù)顯示方式，人們能夠輕松把握河流流量的變化，判斷洪水期水利工程對河流的影響，為水庫或閘門的開關(guān)提供便捷、可靠的數(shù)據(jù)，對于地方防汛有積極意義。

4 指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系的建立和關(guān)系曲線的檢驗(yàn)

流速儀斷面平均流速與H-ADCP系統(tǒng)的瞬時(shí)指標(biāo)流速（100 s）兩者建立關(guān)系，如圖1所示。根據(jù)規(guī)范要求，對該關(guān)系線進(jìn)行精度分析及三種方法的檢驗(yàn)。

結(jié)果如下：測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=7.5%，隨機(jī)誤差為15.0%≤15%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求；系統(tǒng)誤差為0.14%≤±3%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

圖1 TRDI瞬時(shí)指標(biāo)流速-斷面平均流速比測點(diǎn)及率定曲線

4.1 符號檢驗(yàn)

n=60，k=31（k為正號個(gè)數(shù)），u=0.13＜1.15，認(rèn)為合理符號檢驗(yàn)通過。

4.2 適線檢驗(yàn)

n=60，不變換符號“0”次數(shù)為25，變換符號“1”次數(shù)為34，變換符號次數(shù)大于不變換符號次數(shù)，免作適線檢驗(yàn)。

4.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

n=60，平均相對偏離值△P=0.14%，P的標(biāo)準(zhǔn)差S=7.46，△P的標(biāo)準(zhǔn)差Sp=0.96，統(tǒng)計(jì)量t=0.15，|t|=0.15＜1.30，認(rèn)為合理，偏離數(shù)值檢驗(yàn)通過。

結(jié)果表明，上述三種方法對關(guān)系曲線的檢驗(yàn)均達(dá)到規(guī)范要求，認(rèn)為定線正確。

5 月平均流量精度對比分析和洪水過程分析

合江站采用測站原定的臨時(shí)曲線法推算的日、月平均流量與H-ADCP后處理軟件推算的平均流量進(jìn)行對比分析。本文選用了資料齊全的2017年1月、2月、3月、4月、5月、6月共8個(gè)月的流量資料。月平均流量對比分析如表1所示。

由表1可知，2017年3月，合江站均處于低水期，閘門的開關(guān)對流量的影響較為明顯，測驗(yàn)難以控制流量的變化，人工定線與H-ADCP流量相對誤差較大。當(dāng)4月水位上漲以后，誤差減小。相對于在線監(jiān)測而言，常規(guī)流速儀法測流點(diǎn)不能完整地控制流量變化過程，并且采用臨時(shí)曲線法的推流時(shí)段不固定，造成推求的月平均流量誤差更大。

表1 月平均流量對照,

6 結(jié)論

在各個(gè)流速級別，H-ADCP指標(biāo)流速-斷面平均流速關(guān)系通過各項(xiàng)檢驗(yàn)，關(guān)系好，精度高，流量比較誤差小，結(jié)果令人滿意。H-ADCP測流系統(tǒng)無疑是一種先進(jìn)的測流新設(shè)備，它具有安裝簡便，日常運(yùn)行成本低，維護(hù)少，快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。對于不同水流，特別是受水利工程嚴(yán)重影響、河流周圍環(huán)境復(fù)雜的河流，H-ADCP測流系統(tǒng)的應(yīng)用能夠解決流量測驗(yàn)的難題，它是現(xiàn)階段測驗(yàn)精度最高、測驗(yàn)時(shí)間最短、能夠保證測驗(yàn)效果的最佳技術(shù)手段。