H-ADCP在高州水文站的應(yīng)用

孫正熙

摘 要：為解決受水利工程影響水文站的測(cè)流問(wèn)題，提高測(cè)流的準(zhǔn)確性，在高州（四）站引入H-ADCP進(jìn)行在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)。本文從水位、流速、流量3個(gè)方面進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范，相較與傳統(tǒng)測(cè)流方法能更準(zhǔn)確的識(shí)別受水利工程影響的流量突變過(guò)程，為相同情況的水文站測(cè)流提供參考。

關(guān)鍵詞：H-ADCP 比測(cè)試驗(yàn) 應(yīng)用分析

高州（四）站為鑒江中上游控制站，近年來(lái)由于上下游電站發(fā)電情況復(fù)雜（電站擴(kuò)容、人員調(diào)整等）、發(fā)電功率記錄不清晰、閘門(mén)開(kāi)關(guān)混亂等原因的影響，導(dǎo)致水文站需要投入大量人力物力來(lái)增加測(cè)流次數(shù)保證結(jié)果滿(mǎn)足測(cè)站精度的要求。2017年10月，高州（四）站引進(jìn)美國(guó)SonTek公司TRDI CM 600kHz型側(cè)視式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，用于實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)流，并后續(xù)開(kāi)始了比測(cè)工作。

1.高州（四）站基本概況

高州（四）站建于1946年9月，為收集鑒江干流中上游水文資料，結(jié)合流域開(kāi)發(fā)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水情需要而設(shè)，為國(guó)家重點(diǎn)站，屬二類(lèi)精度水文站。位于鑒江中游的高州城新橋上游45米處（即東經(jīng)110°50′13.0″，北緯21°54′48.2″），集雨面積2905km2。主要測(cè)驗(yàn)任務(wù)有：水位、流量、泥沙、降水量。

高州（四）站基本水尺斷面與測(cè)流斷面為同一斷面，主流偏于左岸，流向與斷面垂直，右岸灘地約占河床的三分之二。測(cè)驗(yàn)斷面下游2—3km較為順直，上游約400米處有彎道且有沙洲。站舍及水位自記臺(tái)設(shè)在基本水尺斷面（兼上比降斷面）的左岸。主流偏于左岸，右岸灘地約占河床的2/3，灘地上種植疏菜，沙質(zhì)河床。基本水尺斷面上游約5km處有秧地坡攔河壩一座，下游約2km處有紅荔電站攔河壩一座，受上下游攔河壩閘門(mén)啟閉及發(fā)電影響，測(cè)驗(yàn)河段水位在27.00-29.00m波動(dòng)，流量變化頻繁、急劇，對(duì)流量測(cè)驗(yàn)影響較大。

2.比測(cè)試驗(yàn)

2.1 H-ADCP測(cè)流基本原理

假定水體中顆粒物與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向是接近換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率高；當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向是背離換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率低，發(fā)射頻率與回波頻率存在差值，差值確定：

2.2 儀器安裝位置選擇

經(jīng)斷面穩(wěn)定性分析和斷面流速分布分析，確定基本水尺斷面兼流速儀測(cè)流斷面比較穩(wěn)定，

受下游電站調(diào)控影響，若無(wú)清淤、防汛、河道施工等特殊情況出現(xiàn)，高州（四）站儀器安裝斷面水位穩(wěn)定在27.00-29.00m，考慮儀器波束距離的縱橫比（1：40），綜合實(shí)際安裝情況，最終選擇距離左岸18.7m，高程25.80處安裝儀器。

2.3率定期間的水文情勢(shì)

高州（四）站上游流域2018年1月～2018年8月降水總量為1187.5mm，其中2018年1月～5月降水量較少，其他各月均有較大的降水過(guò)程，在2017年9月1日出現(xiàn)了率定期間最大洪水，洪峰水位為28.63m，洪峰流量為1010m3/s，水位變幅為0.60m。

3.資料分析

3.1水位比測(cè)分析

本次比測(cè)分析洪水期選用率定期間2017年9月1日至2017年9月2日洪水的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行水位比測(cè)， 平水期2017年5月26日至5月27日的水位，進(jìn)行水位比測(cè)分析。

經(jīng)比較，在平水期波束水位合格率為100%，洪水期召測(cè)水位合格率為98%，產(chǎn)生誤差的主要原因在于TRDI的垂直波束水位并無(wú)靜水裝置，壓力水位在平水期和洪水期與召測(cè)水位均有較大差距。因此，在整編時(shí)采用外部召測(cè)水位，在自記水位計(jì)故障期間，采用波束水位作為應(yīng)急水位使用。

3.2代表流速與斷面平均流速關(guān)系的建立和關(guān)系曲線(xiàn)的檢驗(yàn)

斷面平均流速與TRDI系統(tǒng)的瞬時(shí)指標(biāo)流速代表流速兩者建立關(guān)系。比較多項(xiàng)式擬合與單項(xiàng)式擬合，擬合效果有明顯的提高，故采用多項(xiàng)式擬合。

本次率定測(cè)驗(yàn)工作共收集53個(gè)測(cè)次的斷面流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)SL流量計(jì)數(shù)據(jù)。率定數(shù)據(jù)水位變化范圍為26.34m-28.64m，實(shí)測(cè)流量變化范圍為33.8m3/s-944m3/s，斷面平均流速變化范圍為0.054m/s-1.59m/s，對(duì)應(yīng)SL指標(biāo)流速變化范圍為0.054 m/ s-2.29 m/s。斷面平均流速V平均與SL瞬時(shí)指標(biāo)流速VSL兩者相關(guān)關(guān)系良好，如圖1。

由圖可知指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系式為：

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）要求，對(duì)該關(guān)系線(xiàn)進(jìn)行精度分析及三種方法的檢驗(yàn)（詳見(jiàn)附表3）。結(jié)果如下：

標(biāo)準(zhǔn)差Se=7.3%，隨機(jī)誤差為14.6%≤18%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求；系統(tǒng)誤差為-0.2%≤±3%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

（1）符號(hào)檢驗(yàn)n=53 ，K=30（K為正號(hào)個(gè)數(shù)），u=0.82<1.15，認(rèn)為合理，符號(hào)檢驗(yàn)通過(guò)。

（2）適線(xiàn)檢驗(yàn)：n= 53 ，不變換符號(hào)"0"次數(shù)為30 ，變換符號(hào)"1"次數(shù)為25，U=0.14<1.64。

（3）偏離數(shù)值檢驗(yàn)：n=53，│t│=0.19<1.67，認(rèn)為合理結(jié)果：上述三種方法對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)的檢驗(yàn)，均達(dá)到規(guī)范要求，認(rèn)為定線(xiàn)正確。

3.3流量精度對(duì)比分析

選取2018年9月1日率定期間最大洪水，繪制臨時(shí)曲線(xiàn)法推求與TRDI推算的兩條流量過(guò)程線(xiàn)對(duì)比。從圖2可以看出兩種方法推求的流量過(guò)程差別較大，僅實(shí)測(cè)流量點(diǎn)較為接近。經(jīng)過(guò)分析該洪水期間的召測(cè)水位，受下游電站調(diào)洪影響，洪水水位變幅僅0.60m，流量一直在發(fā)生突變，人工測(cè)流無(wú)法捕捉到這個(gè)突變過(guò)程，導(dǎo)致后續(xù)定線(xiàn)時(shí)連時(shí)序法無(wú)法反映這一突變過(guò)程。

月平均流量見(jiàn)表1，周期越長(zhǎng)，相對(duì)誤差較小，其中最小相對(duì)偏差-1.22%，

比較高州（四）站2018年1-8月臨時(shí)曲線(xiàn)法推求與TRDI推算的總徑流量，可看出兩種方法推求得出的年徑流量相差2.20%。（以?xún)煞N方法推求的年徑流量差值與臨時(shí)曲線(xiàn)法推求年徑流量的比值作誤差計(jì)算）

4.結(jié)論

（1）H-ADCP是一種相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)流設(shè)備較為先進(jìn)的測(cè)流設(shè)備，它具有維護(hù)少，快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)不同水流，特別是受水利工程嚴(yán)重影響的河流，H-ADCP的投入應(yīng)用，將節(jié)省大量的人力物力；

（2）直接利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編，減少了資料二次輸入帶來(lái)的錯(cuò)誤，提高整編質(zhì)量和工作效率；

（3）在各個(gè)流速級(jí)別，TRDI代表流速～斷面平均流速關(guān)系通過(guò)各項(xiàng)檢驗(yàn)，精度高，驗(yàn)證成果令人滿(mǎn)意。

參考文獻(xiàn)：

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