奉化江北渡水文站H-ADCP流量自動監(jiān)測設(shè)計

孫德勇，鄭 汲，張沈陽，謝 敏

（1.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008；2.寧波市三江河道管理局，浙江 寧波 315020）

1 問題的提出

北渡水文站位于奉化江中上游，水文實測流量資料較少，感潮影響下的報汛及流量整編工作還不完善，常規(guī)的水文流量監(jiān)測方法只能在測驗期間監(jiān)測流量，極大地影響水文工作的開展。隨著聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Prof i ler，簡稱ADCP）的普及，越來越多的H - ADCP應(yīng)用于流量監(jiān)測，相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，H -ADCP具有全天候、全天時、高精度、自動、快速、低成本等優(yōu)點。

近年來隨著H - ADCP流量自動監(jiān)測站的建立，相關(guān)研究也在逐步開展[1-3]，這為北渡水文站流量自動監(jiān)測站的建立提供理論和實踐依據(jù)。本文從H - ADCP流量自動監(jiān)測原理出發(fā)，分析站址斷面地形、儀器安裝位置、指標(biāo)流速區(qū)域選擇及指標(biāo)流速與斷面平均流速的率定等建站設(shè)計要素，論證在北渡水文站建立H - ADCP流量自動監(jiān)測站是可行的。

2 北渡水文站概況

北渡水文站設(shè)立于1965年，為國家基本水文站，位于奉化江中上游，處于感潮河段。北渡站斷面左右岸較淺，中間為深槽，斷面長度約130.00 m，其最深點高程為-11.00 m。自建站以來，歷史最高潮位為3.38 m，歷史最低潮位為-1.48 m，多年平均高潮位為1.23 m，多年平均低潮位為-0.31 m，潮差較小；斷面含沙量較小，不超過 1 kg/m3。

3 H - ADCP簡介

3.1 監(jiān)測原理

H - ADCP采用多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度。測量原理是：如果聲源與接收聲波物體之間的相對距離發(fā)生改變，物體接收到的聲波頻率與聲源發(fā)射頻率會產(chǎn)生一個差異，即多普勒頻移，公式見式（1）。

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移，Hz；Fu為聲源發(fā)射頻率，Hz；V為聲源和接收物體之間的相對速度（當(dāng)聲源與接收物體之間的距離減小，表現(xiàn)出的速度為+），m/s；C為聲波傳播的速度，m/s。

3.2 工作特點

Channel Master 型 H - ADCP儀器由美國 Teledyne RD Instruments（簡稱 TRDI）公司生產(chǎn)，采用寬帶ADCP專利技術(shù)，可安裝在河流或渠道的岸邊，向水體中發(fā)射超聲波，實時在線采集高質(zhì)量的流速、水位、流量數(shù)據(jù)（見圖1）。該儀器有3種型號：300，600，1 200 kHz，測流主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 Channel Master 型H-ADCP及其安裝示意圖

表1 H - ADCP流速剖面測量(寬帶技術(shù))主要技術(shù)指標(biāo)表

4 流量自動監(jiān)測工作設(shè)計

4.1 H-ADCP流量自動監(jiān)測原理

H - ADCP被設(shè)計成安裝在水下的建筑物上，以水平方向工作，其流量自動監(jiān)測原理為：處于同一水平面的2個波束探頭向平行于水面方向發(fā)送超聲波，測得某水平層的流速（指標(biāo)流速），垂直波束用于測量系統(tǒng)換能器表面到河道水面的距離即水位，根據(jù)儀器安裝位置所在斷面的幾何形狀（水位—面積關(guān)系）和斷面平均流速即可算出即時流量，斷面平均流速與某水平層的流速關(guān)系可由指標(biāo)流速率定方法確認(rèn)。計算關(guān)系見式2。確定參數(shù)關(guān)系后即可實現(xiàn)流量的自動監(jiān)測。

式中：Q為流量，m3/s；A為斷面過水面積，m2；V為斷面平均流速，m/s；V = f （VSL），其中：V為斷面平均流速，m/s；VSL為指標(biāo)流速，m/s。

4.2 H-ADCP流量自動監(jiān)測參數(shù)分析

4.2.1 安裝位置

通常H - ADCP安裝在水深中間的位置，這樣可以使它不受水面和河底的干擾，根據(jù)歷史最低水位和多年平均低潮位，結(jié)合水文站建站位置，一般來說，可把儀器安裝在歷史最低水位以下1.00 ~ 2.00 m的位置（見圖2）。

圖2 H-ADCP擬安裝位置圖

H - ADCP安裝位置(高程)確定后，結(jié)合垂直波束測出的水深即可算出當(dāng)前水面的水位，利用水位—過水面積關(guān)系可算出當(dāng)前水位下的斷面過水面積。

4.2.2 水位—過水面積關(guān)系

2016年11月、2017年4月、2017年11月對北渡站進行斷面地形測量，結(jié)果見圖3。

圖3 北渡站斷面圖

根據(jù)斷面地形數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史最高和最低水位，對每1 cm進行過水面積計算，對水位 — 過水面積數(shù)據(jù)點進行回歸分析，得出水位 — 過水面積關(guān)系：

2016年11月：y = 6.572x2+100.1x +596.7 R2=1 x為水位，m；y為過水面積，m2；

2017年4月：y = 6.623x2+100.0x +587.2 R2=1 x為水位，m；y為過水面積，m2；

2017年11月：y = 6.621x2+100.0x +587.2 R2=1 x為水位，m；y為過水面積，m2。

由上可知：北渡站斷面地形變化較小，水位—過水面積關(guān)系較為穩(wěn)定，適合斷面平均流速與指標(biāo)流速的率定。

4.2.3 指標(biāo)流速區(qū)域選擇

指標(biāo)流速區(qū)域的選擇直接影響指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系的建立，從而影響流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，被指標(biāo)流速區(qū)域覆蓋的自然區(qū)域，流況應(yīng)具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。2016年11月、2017年4月、2017年11月利用走航式ADCP進行大、小潮水文流量監(jiān)測[4]，其監(jiān)測次數(shù)分別為63、57和57次，共計177次，獲得相應(yīng)時刻斷面流速分布情況和斷面平均流速。通過實際測量距離和流速質(zhì)量來判斷指標(biāo)流速的選取區(qū)域，選取10 ~ 30，30 ~ 50，50 ~ 70，70 ~ 80 m等4個流速單元作為指標(biāo)區(qū)域，分析指標(biāo)區(qū)域平均流速與斷面平均流速的相關(guān)性，進而得到指標(biāo)流速最優(yōu)選取區(qū)域，相關(guān)性見圖4。

圖4 各指標(biāo)區(qū)域流速與斷面平均流速相關(guān)性圖

由圖4可知，各指標(biāo)區(qū)域流速與斷面平均流速相關(guān)性較好，10 ~ 30 m相關(guān)性為0.990，30 ~ 50 m為0.992，50 ~70 m為0.988，70 ~ 80 m為0.965。指標(biāo)流速最優(yōu)選擇區(qū)域為30 ~ 50 m，H - ADCP在該區(qū)域測得的指標(biāo)流速能與斷面平均流速建立更為準(zhǔn)確的率定關(guān)系。

4.2.4 指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系

北渡水文站斷面地形穩(wěn)定，指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)性較好，待建站后適合利用走航式ADCP開展H -ADCP指標(biāo)流速與實測斷面平均流速關(guān)系的率定工作，率定數(shù)據(jù)應(yīng)在高、中、低水位及不同流速級均勻分布。關(guān)系曲線確定后需進行定線精度分析和三線檢驗，符合參考文獻[5]要求后認(rèn)為定線準(zhǔn)確。

4.3 采用儀器設(shè)備

結(jié)合北渡水文站建站環(huán)境和H - ADCP技術(shù)指標(biāo)，可選取600 kHz H - ADCP，儀器軟件可采用H - ADCP配套使用的流量數(shù)據(jù)實時采集和回放的操作軟件（WinH -ADCP）。

通過該軟件可設(shè)置：儀器采樣間隔為300 s，平均時間為60 s，測流單元大小為0.5 m，測流單元個數(shù)為180，指標(biāo)流速所選區(qū)域為離岸邊30 ~ 50 m，儀器安裝位置為- 2.50 m（1985國家高程基準(zhǔn)），所在斷面水位面積關(guān)系為y =6.621x2+ 100.0x + 587.2（x為水位，m；y為斷面過水面積，m2）。

5 小結(jié)及建議

（1）北渡水文站位于奉化江中上游，來往船只較少，高低潮差較小，含沙量較低，斷面地形較為規(guī)則且比較穩(wěn)定，指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)性好，流況穩(wěn)定性較高，適合建立H - ADCP流量自動監(jiān)測站。

（2）待站后開展指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系率定工作時，應(yīng)增加極端天氣下的斷面流量監(jiān)測次數(shù)，擴大關(guān)系式的適用范圍。指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系是建立在率定測驗當(dāng)時的水位—過水面積關(guān)系下的，如遇到洪水等對河道有沖刷作用而造成水位—過水面積關(guān)系改變的，指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系的準(zhǔn)確性將受到影響。