通航河道橫向ADCP比測率定分析研究

仲兆林，胡尊樂，張 喜

（江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213022）

近些年來，ADCP在水文測驗中得廣泛的應用，已成為流量測驗的重要技術手段，研究掌握并合理運用ADCP開展流量測驗是當前的重要工作。茶亭河站已開展多年橫向ADCP流量測驗工作，積累了大量經(jīng)驗，通過對其歷年測驗成果分析研究，可以掌握ADCP在通航河道中運行的規(guī)律并計算出相關關系。

1 ADCP原理及運用

1.1 ADCP工作原理

ADCP是一種利用聲學多普勒原理測量水流速度剖面的儀器，即通過ADCP上的3～4個換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物（假定水體中顆粒物與水體流速相同）散射回來的聲波。固定ADCP工作原理見圖1。

圖1 固定式ADCP工作示意圖

當顆粒物的移動方向是接近換能器時，換能器接收到的回波頻率高。當顆粒物的移動方向是背離換能器時，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波頻低。聲學多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由下式確定：

式中：FD為聲學多普勒頻移；FS為發(fā)射聲波頻率；V為顆粒物沿（或垂直）聲束方向的移動速度；C為聲波在水中的傳播速度；“2”為系數(shù)。ADCP測算出FD、FS后，即可得出水體流速V。

1.2 橫向ADCP運用

橫向ADCP是安裝在固定平臺上進行定點垂線（或水平）流速分層測量。它通過跟蹤水體中顆粒物的運動（稱為“水跟蹤”）來測量水流相對于ADCP（也即ADCP安裝平臺）的速度。當ADCP安裝在固定平臺上，“水跟蹤”測量的流速即為水流的絕對速度。因此，固定式ADCP測出的是河流某一層橫剖面的流速，見圖2。

圖2 固定式ADCP工作原理圖

一般情況下，固定式ADCP將橫剖面分成若干個單元（不同ADCP單元長度不一，同一ADCP也可以設置不同的單元長度），每40 s采集一次單元流速數(shù)據(jù)。其中：

（1）選用算術平均法濾波，時間向前偏移90 s、向后偏移90 s，不去掉最大值和最小值，用5分鐘的平均點流速作為時段點流速。

（2）根據(jù)相應單元的流速vpi，通過算術平均法或加權平均法計算出橫剖面的平均流速vp，即：

由于固定式H-ADCP測出的是河流某一橫剖面平均流速vp，不能代表斷面實際平均流速。因此，需要通過多次流量對比監(jiān)測，率定出剖面平均流速vp與斷面平均流速的相關關系k(vp｜，進而根據(jù)固定式ADCP在線自動監(jiān)測流量Qp(Qp-vp×Sp)，得出實際過水流量（=Qp×k(vp｜))。

2 茶亭河站基本情況

南河屬太湖流域湖西區(qū)南河水系，西起南京市高淳區(qū)下壩（茅東閘），向東橫貫溧陽市中部，在溧陽市鳳凰橋與丹金溧漕河匯合后，向東穿越宜興市全境，并于宜興市大浦口處匯入太湖，河道全長約82.5 km。南河是區(qū)域降水徑流和丹金溧漕河來水進入太湖的重要水道，也是蘇南地區(qū)重要的通航河道。主要受丹金溧漕河來水影響，水位流量變化相對平緩，在遭遇區(qū)域強降水時，受上游暴雨徑流影響，會表現(xiàn)出明顯的洪水特性。

茶亭河站位于溧陽市溧城鎮(zhèn)牌頭村，南河右岸，上游1.1 km為南河、蕪申運河（改線段）、茶亭河交匯處，下游3.1 km為南河、郵芳河交匯處。測驗河段河寬約93 m（主河道約70 m），河底最低高程約-0.50 m（吳淞基面，下同），屬于典型的寬淺河段，河床河勢基本穩(wěn)定。2015年1月設為中小河流水文站，在南河右岸安裝H_ADCP（FLOWSCOUT600，LINKQUES公司產(chǎn)品），目的在于監(jiān)測南河出入溧陽市的水量，主要觀測項目有水位、流量、降水量。

3 比測率定方法

根據(jù)有關規(guī)范，采用流速儀法和走航式ADCP法對茶亭河站的橫向ADCP進行比測率定。其中，流速儀法比測時，依據(jù)規(guī)范，采用多根測速垂線2點法（常測法）。走航式ADCP法比測時，考慮河道水流受航運或感潮影響，一般采用一個測回進行施測，控制誤差在10%以內(nèi)。比測總次數(shù)不少于30次，并盡可能涵蓋高、中、低水位，大、中、小流量（速）。

3.1 橫向ADCP代表流速與斷面平均流速相關關系

橫向ADCP試驗研究結(jié)果表明，一般情況下，剖面平均流速（層流速）vp與斷面平均流速v的關系主要有“一元線性”、“一元二次”、“冪函數(shù)”、“復合線性”以及“二元線性”等5種。

斷面平均流速v通過走航式ADCP法測流或流速儀法測流來確定。即：

式中：SHADCF表示實測水位對應的固定式ADCP的過水面積；m2（茶亭河站2015年～2017年斷面均施測過，經(jīng)對比計算，年度變化率小于2%。根據(jù)相關規(guī)范，比測流量計算時，可借用年初斷面實測數(shù)據(jù)）。

橫向ADCP試驗研究成果表明，平原水網(wǎng)區(qū)河道斷面一般均比較規(guī)則，為單一斷面，橫向ADCP代表流速與斷面平均流速相關關系一般為“一元線性”關系。本次率定分析亦采用“一元線性”關系。

3.2 垂線流速分布

國內(nèi)外長期的河道流速研究成果表明，天然河道垂線流速分布基本符合指數(shù)分布或?qū)?shù)分布，指數(shù)分布常以下式表達：

式中：u表示某測速垂線上z處的流速；m表示分布指數(shù)；對應不同的河床特怔和水沙特性，一般取值在1/8～1/5；Vcp表示垂線平均流速單位m/s；z表示垂線上測點z距離河床的高度單位m；h表示某垂線應用水深單位m。

3.3 單斷關系率定步驟

（1）以橫向ADCP采集的單元流速，經(jīng)流速分布模型演算，得到各單元垂線平均流速；

（2）人工加模型優(yōu)選出代表段單元，計算代表流速；

（3）代表流速與實測的斷面平均流速率定關系。

3.4 關系線檢驗與應用范圍

對率定好的代表流速vp與平均流速v相關關系，進行三項檢驗和隨機不確定度、系統(tǒng)誤差計算；最后分析確定率定成果的應用范圍分析。

4 測定結(jié)果及分析

4.1 資料采用

2015年8月至2016年10月，共比測53次。其中，流速儀法比測39次、走航式ADCP法比測14次。流速儀為LS68-2旋杯式，走航式ADCP型號為FlowQuest2000-AFA-BC，之前多次使用，精度符合《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》（SL337-2006）要求。

經(jīng)過技術分析，最終有40次測定成果參與率定分析。其中，流速儀法比測成果中有3個測次未被采用，主要原因是，受船只過往影響，斷面流速分布不符合常態(tài)。走航式ADCP法比測成果中有10個測次未被采用，主要原因是：一、測驗時受船只過往影響，斷面流速分布不符合常態(tài)，且測回誤差超出允許范圍；二、距離橫向ADCP斷面過近，可能受到干擾。

4.2 率定成果

（1）代表流速計算區(qū)間：第11個單元（起點距29 m）到第42個單元（起點距60 m）；

（2）單斷關系系數(shù) K：0.877，即：v=0.877×vp。

4.3 三項檢驗以及誤差分析

三項檢驗均通過，隨機不確定值、相對誤差均符合《中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)測驗指導意見》相關要求。其中，隨機不確定值為18.76%，平均相對誤差為-0.34%，最大相對誤差為22.62%。單元流速斷面分布見圖3，茶亭河站單斷關系線圖見圖4。

圖3 茶亭河站單元流速分布示意圖

圖4 茶亭河站單斷關系線圖

4.4 應用條件分析

（1）水位、流量適用范圍

2016年，溧陽市遭遇特大暴雨洪水，溧陽站年降水量為2307.6 mm，是多年平均值（1167.5 mm，1951年～2016年，下同）的1.98倍，為歷史實測資料第一位。受暴雨影響，茶亭河站全年水位較高，且出現(xiàn)3場較大的洪水過程；年平均水位為3.85 m，對應平均水深為3.27 m；最高水位為6.27 m（7月5日），為歷史實測資料第一位；最低水位為3.05 m（3月30日）。

本次率定分析中，實測水位在3.17 m～5.85 m之間，為年際水位變幅（3.36 m）的80%左右。另外，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012），高水位可上延30%，低水位可下延15%，本次率定成果可使用水位范圍為2.77 m～6.65 m。實測流量在0.869 m3/s～311 m3/s之間，為年際流量變幅（311 m3/s）的100%左右。

因此，茶亭河站單斷率定關系基本涵蓋多年水位、年際流量變幅范圍，全年各水期均適用。

（2）橫向ADCP位置合理性分析

根據(jù)茶亭河站上游溧陽（二）站水文統(tǒng)計資料，該站附近河段歷史最低水位發(fā)生在20世紀70年代（1971年），之后的幾十年，流域、區(qū)域水系和水利工程體系以及水資源保障條件等均已發(fā)生了極大改變，因此以近十年最低水位（2.91 m）和多年平均水位（3.52 m）來分析該站橫向ADCP位置的合理性。

分析方法：計算相對水深（橫向ADCP探頭所對應的平均水深與某一水位下平均水深之比）是否符合橫向ADCP設備特性要求。

茶亭河站橫向ADCP安裝位置合理性分析成果見表1。

表1 茶亭河站橫向ADCP安裝位置合理性分析表

由表1可知，茶亭河站橫向ADCP位置在0.41～0.88相對水深范圍，基本符合設備特性要求。

5 結(jié)語

通航河道茶亭河站橫向ADCP近三年來運行結(jié)果分析研究可知，橫向ADCP探頭安裝在0.41～0.88相對水深范圍可以充分抵消船只帶來的不利影響。平原水網(wǎng)區(qū)河道斷面一般比較規(guī)則，為單一斷面，橫向ADCP代表流速與斷面平均流速相關關系一般為“一元線性”關系。