水平ADCP在戛舊（二）站的比測(cè)分析

熊文華，李 誠(chéng)

（云南省水文水資源局臨滄分局，云南 臨滄 677000）

1 比測(cè)站概況

戛舊（二）站位于云南省云縣漫灣鎮(zhèn)，是瀾滄江上的干流控制站，地理位置為東經(jīng) 100°28′，北緯24°36′，收集瀾滄江干流基本水文信息，為漫灣電站、大朝山電站調(diào)度調(diào)蓄及下游防汛和瀾滄江的水資源開(kāi)發(fā)利用、水資源保護(hù)服務(wù)的國(guó)家重要水文站。戛舊水文站于 1957 年 1 月由云南省水文總站設(shè)立，2001 年 1 月由于大朝山電站調(diào)節(jié)水庫(kù)回水影響上遷 8 km，稱(chēng)戛舊（二）站。戛舊（二）站控制流域面積為 108 475 km2，測(cè)驗(yàn)斷面上游 3.5 km 為漫灣電站，下游 100 km 為大朝山電站。測(cè)驗(yàn)河段為巖質(zhì)河床，順直長(zhǎng)約 100 m，測(cè)驗(yàn)斷面呈“V”形，兩岸邊較陡，中低水河面寬在 60～70 m，高水可達(dá) 80 m以上。受上游漫灣電站的開(kāi)關(guān)放水調(diào)節(jié)，水流紊亂，受下游大朝山電站回水頂托影響，傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)已不能滿(mǎn)足整編規(guī)范要求，全年采用改正系數(shù)法推流，受人類(lèi)活動(dòng)影響嚴(yán)重。

2 比測(cè)方法

用 S5 型水平式 ADCP（以下簡(jiǎn)稱(chēng) S5）與纜道流速儀法流速進(jìn)行比測(cè)，用 S5 與 M9 型走航式ADCP（以下簡(jiǎn)稱(chēng) M9） 流量流速進(jìn)行比測(cè)，用 S5與漫灣電廠出庫(kù)流速進(jìn)行比測(cè)，分析泥沙、水溫對(duì)S5 所測(cè)流速的影響。

S5，測(cè)量距離為 1.5～120.0 m；流速測(cè)量范圍為 ± 6 m/s，分辨率為 0.001 m/s，準(zhǔn)確度為 ± 1%；垂直波束測(cè)量水位為 18.0 m，準(zhǔn)確度為 ± 0.6 cm（深度＜6 m），±0.1 cm（深度≥6 m）；流量為程序自動(dòng)計(jì)算完成。

M9，距離測(cè)量范圍為 0.06～40.00 m；流速測(cè)量范圍為 ± 20 m/s，分辨率為 0.001 m/s，準(zhǔn)確度為實(shí)測(cè)流速 ±0.25%；水深范圍為 0.2～80.0 m，分辨率為 0.001 m，準(zhǔn)確度為 ± 1%；流量為內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算完成。

S5 實(shí)測(cè)的是水平層測(cè)量段內(nèi)平均流速（指標(biāo)流速），通過(guò)建立斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系，然后利用測(cè)得的指標(biāo)流速換算為斷面平均流速，再將斷面平均流速乘以斷面面積，即為斷面的瞬時(shí)流量。為找到水平流速（指標(biāo)流速）～斷面平均流速的關(guān)系，需要采用比測(cè)和率定的方法完成[1]。

3 比測(cè)分析

編制《云南省水文水資源局臨滄分局戛舊（二）站“948”項(xiàng)目 ADCP 測(cè)流儀器比測(cè)工作實(shí)施方案》，在戛舊（二）站開(kāi)展 S5 的比測(cè)工作。

3.1 流量比測(cè)方式

流量比測(cè)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整 S5 位置高度進(jìn)行比測(cè)，儀器安置高度（程）為 896.90 m，比測(cè)流量49 次；儀器安置高度（程）為 895.59 m，比測(cè)流量37 次；儀器安置高度（程）為 893.20 m，比測(cè)流量36 次。

流量比測(cè)時(shí)，每次先用纜道流速儀法測(cè)出斷面流量，再用 M9 測(cè)出該斷面流量，然后根據(jù)測(cè)流平均時(shí)間查出電廠出庫(kù)流量（用閘門(mén)開(kāi)度查出泄流量加超聲波測(cè)出發(fā)電流量，由電廠提供）及 S5 同步流量數(shù)據(jù)，再對(duì)比分析 4 組流量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，最終計(jì)算出 S5 實(shí)時(shí)在線流量與斷面實(shí)際流量的相關(guān)系數(shù)[2]。最后對(duì)比與高程的相關(guān)系數(shù)，綜合分析確定斷面流量的率定系數(shù)。

3.2 抗雷擊能力分析

該儀器沒(méi)有防雷能力，需要靠人工進(jìn)行干預(yù)，因儀器收集資料需一直通電運(yùn)行，在夜間人為無(wú)法預(yù)見(jiàn)是否打雷，儀器就無(wú)法得到有效保護(hù)。

3.3 水位比測(cè)分析

由于受電站調(diào)節(jié)影響劇烈，且數(shù)據(jù)量較大，選擇每日 8 時(shí)的自記水位值為基準(zhǔn)，進(jìn)行 S5 的水位比測(cè)分析，如圖 1 所示。經(jīng)分析，誤差 ≤ 0.02 m 的占24.6%，誤差 ≤ 0.05 m 的占 41.9%，誤差 ≤ 0.10 m的占 74.3%，誤差 ≤ 0.20 m 的占 91.0%，最大誤差0.93 m，引起這一誤差變化是 S5 主要靠壓力探頭的感應(yīng)測(cè)量水位，由于電站調(diào)節(jié)影響劇烈，水位漲落較大，導(dǎo)致某一瞬時(shí)水位與自記水位記錄誤差較大，作為突出點(diǎn)被剔除[3]。

圖 1 自記水位值與 S5 水位比測(cè)差值圖

3.4 S5 與流速儀法比較分析

與纜道流速儀共比測(cè) 122 次，用流速儀法測(cè)流時(shí)的斷面平均流速 v斷面與 S5 的平均指標(biāo)流速 v指標(biāo)建立關(guān)系，根據(jù)儀器安裝高程分 3 個(gè)不同高度，分析點(diǎn)繪兩者關(guān)系，如圖 2～4 所示。通過(guò)分析， 不同高程 S5 的 v指標(biāo)與流速儀法 v斷面之間的線性關(guān)系非常顯著，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了 0.92～0.97[4]。不同高度相關(guān)點(diǎn)據(jù)相對(duì)誤差 ≤ 5%，7%，10% 的合格率分別為 61.1%，80.6%，91.7%。

圖 2 儀器安裝高程 896.9 m 流速儀（v斷面）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

圖 3 儀器安裝高程 895.59 m 流速儀（v斷面）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

圖 4 儀器安裝高程 893.2 m 流速儀（v斷面）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

3.5 S5 與 M9 比較分析

與 M9 比測(cè) 104 次。用 M9 進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，施測(cè) 2 個(gè)測(cè)回共 4 次流量，取其 v斷面與 S5 的 v指標(biāo)建立關(guān)系。建立 S5 的指標(biāo)流速與 M9 斷面平均流速之間的線性關(guān)系顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.95～0.96，繪兩者關(guān)系，如圖 5～7 所示。經(jīng)分析，不同高度相對(duì)誤差的合格率為 58%，72.0%，88.0%。

圖 5 儀器安裝高程 896.9 m M9（vM9）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

圖 6 儀器安裝高程 895.59 m M9（vM9）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

圖 7 儀器安裝高程 893.2 m M9（vM9）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

3.6 S5 與電廠出庫(kù)流量分析比較

根據(jù)電廠提供出庫(kù)流量，除比測(cè)位置相應(yīng)大斷面面積，得電廠 v出。挑選水位較平緩時(shí)間段的比測(cè)點(diǎn)，建立兩者關(guān)系，如圖 8～10 所示。S5 的 v指標(biāo)與電廠 v出之間的線性關(guān)系也顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92～0.98；不同高程相對(duì)誤差的合格率為 45.5%，81.8%，87.9%。

圖 8 儀器安裝高程 896.9 m 電廠（v出）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

圖 9 儀器安裝高程 895.59 m 電廠（v出）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

圖 10 儀器安裝高程 893.2 m 電廠（v出）與 S5（v指標(biāo)）流速關(guān)系圖

3.7 比測(cè)小結(jié)

通過(guò)分別建立 S5 與流速儀、M9、電廠出庫(kù)流速的關(guān)系分析，三者線性關(guān)系均很顯著，相關(guān)系數(shù)較大，但通過(guò)點(diǎn)據(jù)的離散程度分析，S5 與流速儀法建立的關(guān)系略?xún)?yōu)于與 M9 建立的關(guān)系，而與 M9 建立的關(guān)系略?xún)?yōu)于與電廠出庫(kù)流速建立的關(guān)系。

經(jīng)計(jì)算分析，系統(tǒng)誤差不超過(guò) 1.0%，符合規(guī)范要求。S5 與纜道流速儀法測(cè)量測(cè)量誤差平均在 2.5%左右，相關(guān)較為顯著，相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.97，說(shuō)明兩者測(cè)量結(jié)果基本一致，從而說(shuō)明在受水庫(kù)沖放水、水位受頂托影響情況下，用 S5 測(cè)流，能基本滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 誤差分析

4.1 三項(xiàng)檢驗(yàn)

將不同高程所比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、誤差計(jì)算，其結(jié)果為三項(xiàng)檢驗(yàn)都通過(guò)，系統(tǒng)誤差都在 1%以?xún)?nèi)，符合一類(lèi)精度站要求；而標(biāo)準(zhǔn)差：流速儀法關(guān)系為 6.9%，M9 法關(guān)系為 7.3%，電廠出流關(guān)系為12.6%，超出一類(lèi)精度站范圍要求，引起這一誤差偏大的主要原因是上游受漫灣水庫(kù)調(diào)蓄影響，在比測(cè)期間水位變幅較大而造成。

4.2 時(shí)段水量誤差分析

以流速儀法為基準(zhǔn)，對(duì) S5、電廠出庫(kù)流量所推時(shí)水量進(jìn)行誤差分析。S5 推求的時(shí)段水量相對(duì)誤差在 -11.7%～5.5%，時(shí)段總平均誤差僅為 0.8%；電廠出庫(kù)流量為推算流量，相對(duì)誤差在 5.5%～16.1%，時(shí)段總平均誤差達(dá) 9.4%，偏大較多。

4.3 含沙量對(duì) S5 的影響分析

由于 S5 是靠水體中的懸浮顆粒吸收并反射聲波，所以水體中的泥沙含量多少直接影響 S5 的接收信號(hào)。通過(guò)流速儀、M9、電廠出庫(kù)流速與 S5 比測(cè)，同時(shí)施測(cè)斷沙及在相應(yīng)單沙取樣位置施測(cè)單沙，整編得到各時(shí)間段斷面含沙量，在不同含沙量下對(duì)流量測(cè)驗(yàn)造成的影響進(jìn)行分析。從指標(biāo)流速中無(wú)法得出泥沙含量大小對(duì)流速測(cè)驗(yàn)產(chǎn)生顯著影響。從 S5 所接收到超聲波的回波信號(hào)強(qiáng)度，即水平、垂直方向的回波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析。每一行的回波信號(hào)強(qiáng)度都大于噪聲電平，說(shuō)明所比測(cè)數(shù)據(jù)在儀器測(cè)量范圍內(nèi)，同時(shí)說(shuō)明含沙量變化在 0～0.048 kg/m3之間時(shí)，未對(duì) S5 流量測(cè)驗(yàn)造成影響。

4.4 水溫對(duì) S5 影響

在比測(cè)流量時(shí)，同時(shí)對(duì)水溫進(jìn)行觀測(cè)，以分析不同水溫對(duì) S5 的影響，比測(cè)時(shí)最高水溫為 21.4℃，最低水溫為 17.2℃，以 19.0℃ 為分界，分別分析在不同溫度范圍內(nèi)水溫對(duì) S5 的影響情況。通過(guò)分析，水溫在 17.2～21.4℃ 之間時(shí)，S5 信號(hào)接收正常；水溫在＜ 19.0℃ 時(shí)，v指標(biāo)與 v斷面的相關(guān)系數(shù)為0.97；水溫在＞ 19.0℃ 時(shí)，v指標(biāo)與 v斷面的相關(guān)系數(shù)為 0.86，說(shuō)明水溫低時(shí) v指標(biāo)與 v斷面的關(guān)系要比水溫高時(shí)好些。

5 比測(cè)成果

通過(guò)對(duì)比分析，纜道流速儀法結(jié)果與 S5 相比，三項(xiàng)檢驗(yàn)及系統(tǒng)誤差都符合一類(lèi)精度站要求，且點(diǎn)離散程度較小，雖標(biāo)準(zhǔn)差超限，但考慮戛舊（二）站受上游漫灣電站調(diào)節(jié)影響，受下游大朝山水庫(kù)頂托影響劇烈，導(dǎo)致比測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生較大隨機(jī)誤差，因此標(biāo)準(zhǔn)差超限符合測(cè)站實(shí)際。通過(guò)分析，選擇纜道流速儀法作為斷面平均流速（y），與 S5 指標(biāo)流速（x）建立的相關(guān)方程為比測(cè)分析成果，y = 0.794 4 x +0.065 5。

6 結(jié)語(yǔ)

S5 是一種先進(jìn)的技術(shù)含量較高的測(cè)流儀器，它具有安裝簡(jiǎn)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)，并對(duì)外界抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)不同水流具有較好的適應(yīng)性。S5 在一定條件下，作為流量測(cè)驗(yàn)的手段是可行的，能夠大大提高工作效率和成果質(zhì)量，特別是受工程影響導(dǎo)致水位流量關(guān)系紊亂的測(cè)站，S5 測(cè)流是一種較好的解決方案。該儀器所收集的資料通過(guò)計(jì)算軟件處理后，可對(duì)水位、流量進(jìn)行在線整編，計(jì)算結(jié)果與南方片整編結(jié)果相符，滿(mǎn)足整編規(guī)范要求。戛舊（二）站的測(cè)流工作受水利工程影響嚴(yán)重，認(rèn)真做好 S5 流量的比測(cè)，是將來(lái)該儀器推廣使用的首要前提。該儀器在使用過(guò)程中的問(wèn)題和建議如下：

1）當(dāng)水位低于儀器安裝高程時(shí)，無(wú)法監(jiān)測(cè)到水位和流速。

2）S5 遇高水時(shí)無(wú)法調(diào)試安裝。如果安裝鋼架能進(jìn)行自由升降，這樣在高水也可以進(jìn)行安裝調(diào)試，包括對(duì)儀器進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)、更換等也更加方便。S5 安裝的姿態(tài)非常重要，若能在 S5 安裝機(jī)座上設(shè)立一個(gè)遙控開(kāi)關(guān)，在岸上用遙控就能進(jìn)行調(diào)整，這樣就容易將儀器姿態(tài)調(diào)整到佳位置。

3）防雷方面應(yīng)該加強(qiáng)，最好采用先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在遇打雷時(shí)儀器能自動(dòng)關(guān)閉，對(duì)儀器進(jìn)行保護(hù)，最好是增加防雷設(shè)計(jì)。

4）該儀器只有 1 個(gè)探頭，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，期間資料將缺測(cè)，只能通過(guò)其他方法彌補(bǔ)，應(yīng)增加備用探頭。

5）在查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，要打開(kāi)多個(gè)軟件，并且每個(gè)軟件的安裝和查詢(xún)界面都是英文，不便于操作使用，如果將各個(gè)軟件組合成一個(gè)程序，并可選擇中文，將便于人員的操作使用。

6）水位出現(xiàn)問(wèn)題而指標(biāo)流速正確時(shí)，應(yīng)能用自記水位來(lái)代替，希望程序能對(duì)水位、面積進(jìn)行修改。