受壅水影響的二水文站兩種ADCP流速比測分析

徐珊珊，馮弋珉，孔 斌

(江西省贛州市水文局，江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著水資源開發(fā)利用程度的提高，新建河道水利工程增多，受其影響的水文測驗河段，水位壅高、水深增大、流速減緩、流量多變，測驗河段水流狀態(tài)發(fā)生明顯變化。如何在該河段監(jiān)測流量時，提高測驗精度、簡化測驗程序、保證監(jiān)測質量，為防汛抗旱決策提供及時準確的實時流量信息，以及積累真實可靠的流量資料，為經濟社會發(fā)展服務，是河道流量測驗面臨的一個重要課題。ADCP作為一種新型的聲學多普勒測流儀器，具有速度快、信息化水平高等優(yōu)勢，是解決這一問題的有效途徑。

1 測站基本情況

1.1 壩上水文站

壩上水文站地處章水河口上游約11 km，集水面積7 657 km2，屬于長江流域鄱陽湖區(qū)贛江水系一級支流章水控制站，為一類精度水文站，是國家重要基本水文站，1953年設立至今，實測最大流量5 060.00 m3/s，實測最小流量3.57 m3/s，2002年5月地處章水河口上游約450 m處的八境湖水庫建成蓄水前，主要受不經常性沖淤影響，水位流量關系多為臨時曲線，洪水期有時還受貢江回水頂托影響，水位流量關系短期內呈時序性變化。八境湖水庫建成蓄水后，壩上水文站處在該水庫回水中段，中枯水水流狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，枯水時水位壅高2.30 m左右，建庫后水深是建庫前的4倍；平水時水位壅高1.50 m左右，建庫后水深是建庫前的1.8倍；建庫后中枯水流速僅為0.020～0.200 m/s。受八境湖水庫壅水影響，水位流量關系呈時序性變化，中低水尤為顯著，2003年以后采用連實測流量過程線法整編流量。

1.2 窯下壩(二)水文站

窯下壩(二)水文站地處章水中游的南康區(qū)蓉江鎮(zhèn)南水村河段，屬于長江流域鄱陽湖區(qū)贛江水系一級支流章水區(qū)域代表站，為二類精度水文站，2002年1月由其上游約4 km窯下壩水文站下遷至此，集水面積1 944 km2，實測最大流量1 600.00 m3/s，實測最小流量0.00 m3/s，2005年3月地處該站下游約4.5 km處的康陽水電站建成蓄水前，主要受不經常性沖淤影響，水位流量關系為臨時曲線，中高水位水位流量關系單一且基本穩(wěn)定。康陽水電站蓄水后，窯下壩㈡水文站處在水庫回水中段，平水時水深從建壩前的1.00 m左右，壅高至4.00 m左右，枯水時水位壅高4.00 m左右，建庫后水深是建庫前的5倍；中枯水流速僅為0.070～0.300 m/s，水流狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，嚴重影響流速儀法流量測驗精度；受康陽水電站壅水影響，水位流量關系呈時序性變化，中低水尤為顯著，2005年以后采用連實測流量過程線法整編流量。

2 比測實驗

2.1 儀器測流原理及優(yōu)缺點

(1)走航式ADCP的測量基本原理是物理學中的聲學多普勒效應，當一個聲源在移動時，它相對于接收者的頻率將因為在介質中傳播而發(fā)生相應變化。在水流速度不是很大、河底沒有流沙的河道，采用底跟蹤系統(tǒng)對反射回來的聲波信號進行處理。通過接收和處理河底反射回來的信號來確定船體的絕對速度和實測斷面處的平均水深，并通過接收和處理斷面水體中的顆粒物反射回來的信號來確定水流相對于船體的速度，從而得出水流的絕對速度[1]。

(2)在線式ADCP是采用了一種稱之為聲學多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度。其測量原理是：如果一個聲源與接收聲波物體之間有相對運動時，接收聲波物體所接收到的聲波頻率與聲源發(fā)射的聲波頻率之間有一個差異，即有一個多普勒的頻移[2]。因此，測量得到的多普勒頻移就能得到相應的點流速。

(3)流速儀法測流是目前流量流速測驗應用最廣泛、最基本的方法，也是目前衡量、評定各種測流新方法精度的標準。該測驗方法基于速度面積法，在斷面上布設測流垂線和測速點(一般采用積點法測量流速)，以測量斷面面積和流速。因此斷面的選擇對該測流方法非常重要，要求斷面選在河道順直、水流分布均勻、無旋渦或回流的地方，順直段需滿足測驗規(guī)范的要求，斷面垂直于水流方向[3]。

(4)不同儀器的優(yōu)缺點如表1。

表1 不同儀器的優(yōu)缺點比較表

2.2 比測條件

2.2.1 儀器的選用與安裝

壩上水文站走航式ADCP選用的是RiverSurveryor M9 聲學多普勒水流剖面儀；在線ADCP安裝的是美國維賽公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500)水平型測量系統(tǒng)。

根據實際地形、流態(tài)等情況，壩上水文站將在線ADCP儀器安裝在基本水尺斷面左岸，位于起點距26.00 m、高程94.75 m處(如圖1)。窯下壩(二)水文站安裝在基本水尺斷面右岸，位于起點距25.00 m，高程116.50 m處(如圖2)。

圖1 壩上水文站流速儀測速垂線布置圖

圖2 窯下壩(二)水文站流速儀測速垂線布置圖

2.2.2 壩上水文站走航式ADCP比測

壩上水文站走航式ADCP法流量與纜道流速儀法比測分析資料為2016年4月13日～2017年6月4日，共比測36次(高水3次，中水17次，低水16次)，流速儀法流量變幅76.40～1 730.00 m3/s，水位變幅96.30～99.57 m；走航式ADCP流量變幅75.00～1 669.00 m3/s，水位變幅96.30～99.57 m，最大流速1.200 m/s、最小流速0.074 m/s。

2.2.3 壩上水文站在線式ADCP比測

壩上水文站在線式ADCP法流量與纜道流速儀法比測分析資料為2014年11月27日～2015年6月21日，共比測95次(高水1次，中水30次，低水64次)，流速儀法流量變幅38.90～867.00 m3/s，水位變幅96.90～99.31 m；在線式ADCP法流量變幅35.10～1 037.80 m3/s，水位變幅96.90 m～99.31 m，最大流速0.706 m/s、最小流速0.036 m/s。

2.2.4 窯下壩(二)水文站在線式ADCP比測

窯下壩(二)水文站在線式ADCP法流量與纜道流速儀法比測分析資料為2016年2月2日～2017年7月3日，共比測42次(高水8次，中水31次，低水3次)(含9次走航式ADCP實測流量)，流速儀法流量變幅39.60～937.00 m3/s，水位變幅96.90～99.31 m；在線式ADCP法部分流量變幅25.00～807.00 m3/s，水位變幅116.77～119.42 m，最大流速1.920 m/s、最小流速0.100 m/s。

2.3 比測成果相關性分析

(1)點繪2016年壩上水文站走航式ADCP與流速儀實測流量共36次相關圖，見圖3。

圖3 壩上水文站走航式ADCP與纜道流速儀法流量關系圖

從圖3中可以看出，36次走航式ADCP實測流量和流速儀實測點在同一系列上，呈一密集帶狀分布，關系較為密集。求得相關流量方程：Q應用=1.026×Q走航ADCP。適線、符號、偏離數值三檢合格：正點17、負點17、零點2；系統(tǒng)誤差為0、不確定度8.0%，相對誤差±8%以內點次有33個，占總點數的91.7%，±5%以內的點次30次，占總點次83.3%，符合本站流量測驗精度要求，可直接采用走航式ADCP替代纜道流速儀法進行流量測驗及整編。

(2)點繪2014年～2015年壩上水文站在線式ADCP與流速儀實測流量共95次相關圖，見圖4。

圖4 壩上水文站在線式ADCP與纜道流速儀法流量關系圖

從圖4中可以看出，95次在線式ADCP實測流量和流速儀實測點在同一系列上，呈一密集帶狀分布，關系較為密集。求得相關流量方程：Q應用=0.939×Q在線ADCP。適線、符號、偏離數值三檢合格：正點45、負點：50；系統(tǒng)誤差為-0.50、不確定度17.2%，誤差略大于本站流量測驗允許誤差。

(3)點繪2016～2017年窯下壩(二)水文站在線式ADCP實測與流速儀實測流量共42次相關圖，見圖5。

從圖5可以看出，9次走航式ADCP實測流量和流速儀實測點在同一系列上，42次比測成果呈一密集帶狀分布，關系較為密集。求得相關流量方程：Q流速儀=1.122×Q在線ADCP。適線、符號、偏離數值三檢合格，正點22、負點20；系統(tǒng)誤差為0.64、不確定度10.2%，符合本站流量測驗精度要求。

當斷面流量大于100 m3/s時，流速儀法施測和在線式ADCP施測的流量密集成一帶狀，相關關系良好，此時斷面上沒有回流和層流；但在低水時(流量小于100 m3/s時)誤差相對較大，流速儀實測流量點子相差較多，說明河段流量較小時，受下游閘壩壅水影響嚴重，河水流向不一，水流紊亂，流速儀法已經不適宜用于此時的流量測驗。

圖5 窯下壩(二)站在線式ADCP與纜道流速儀法流量關系圖

3 流量整編成果比對分析

(1)壩上站依據2016年4月13日～2017年6月4日走航式ADCP實測流量成果，采用連實測流量過程線法整編流量，比例系數采用本次分析的1.026；與流速儀法整編流量成果對照，徑流總量誤差為0.12%，汛期洪水總量誤差為0.53%，次洪水總量平均誤差0.78%，日平均流量平均誤差1.2%。

(2)壩上站2014年11月～2015年6月依據在線式ADCP實測流量成果，采用連實測流量過程線法整編流量，比例系數采用本次分析的0.939；與流速儀法整編流量成果對照，徑流總量誤差為1.56%，汛期洪水總量誤差為2.23%，次洪水總量平均誤差1.78%，日平均流量平均誤差7.8%。

(3)窯下壩(二)水文站2016年2月2日～2017年7月3日依據在線式ADCP實測流量成果，采用連實測流量過程線法整編流量，比例系數采用本次分析的1.122，2009～2017年年徑流系數在0.35～0.67，與上下游對照基本合理，與1957～2008年年徑流系數0.21～0.73對照也基本合理。

4 結 論

傳統(tǒng)的纜道流速儀法適宜暢流期河道流量測驗，具有操作簡便、維護簡單等優(yōu)勢，但當受下游閘壩影響嚴重時，河段水流紊亂，難以保證測驗精度；走航式ADCP使用范圍廣、測量時間較短、可施測紊流流量、精度高，但在流速過小時測驗精度也難以保證；在線式ADCP測得的流量成果連續(xù)，斷面基本穩(wěn)定，測站精度較高，但受水流渾濁度影響大，測量范圍局限性大，同時安裝維護成本最高。

走航式ADCP測流精度符合壩上站測量精度要求，且能完全反映垂線流態(tài)，然而在流速過小時測驗精度還是難以保證。在線式ADCP測流誤差略大于壩上站測量精度要求，主要原因為在線式ADCP只能測得部分斷面流量，建議：一是可在壩上站斷面左、右兩岸分別安裝一臺在線ADCP；若要覆蓋全斷面，還可在壩上站上游2.5km處沙石大橋橋墩上再增加一臺在線ADCP，三臺ADCP同測減少誤差。二是在不增加在線ADCP的情況下，用在線ADCP測得連續(xù)流量，定期用走航式ADCP實測流量數據校正在線式ADCP測流成果。

窯下壩(二)水文站最大河面寬不超過120m，用在線式ADCP測流效果較好，能符合該站測量精度要求。建議窯下壩(二)水文站使用在線式ADCP測流，同時用走航式ADCP作為在線ADCP維護期間或應急監(jiān)測時的備用測驗手段。