H-ADCP流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在瓶窯水文站的應(yīng)用探討

馬曉萍，羅小亮，謝景濱

（1.余杭區(qū)水文水資源監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 311115；2. 廣州和時(shí)通電子科技有限公司，廣東 廣州 510000）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

東苕溪由干流南苕溪、支流中苕溪和北苕溪匯集而成。瓶窯水文站作為東苕溪流域的主要控制站，設(shè)立于1928年5月，屬國家級(jí)水文站，瓶窯站以上集雨面積1 420 km2，建站以來實(shí)測(cè)最高水位7.34 m，最大流量795 m3/s，最大流速2.64 m/s。河床大部分為沙土組成，年內(nèi)略有沖淤。洪水期間中泓漂浮物較多，給流量測(cè)驗(yàn)工作增加困難。平水期主要受上游青山水庫發(fā)電放水影響，平時(shí)1 d至少需要監(jiān)測(cè)2次流量，測(cè)流任務(wù)較重。

2 H - ADCP流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

H - ADCP流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水平式ADCP傳感器、數(shù)據(jù)處理、采集傳輸系統(tǒng)和流量在線監(jiān)測(cè)智能管理平臺(tái)構(gòu)成。其工作原理是利用數(shù)采器控制水平式ADCP傳感器進(jìn)行工作，定時(shí)自動(dòng)采集水位、流速流量等數(shù)據(jù)信息，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸?shù)街行谋O(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)流量流速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)[1]。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

H - ADCP 作為前端傳感器，是一種既發(fā)射聲波，又能接收聲波的多普勒流速儀。具體聲波傳播見圖2。

圖2 聲波傳播示意圖

H - ADCP實(shí)測(cè)的是水平層測(cè)量段內(nèi)平均流速（指標(biāo)流速），通過建立斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系，通過測(cè)得的指標(biāo)流速得到斷面平均流速，再將斷面平均流速乘以斷面面積，即為斷面的瞬時(shí)流量[2]。

指標(biāo)流速法技術(shù)為眾多水科學(xué)管理機(jī)構(gòu)所采用，用于連續(xù)計(jì)算復(fù)雜水流條件下的河流流量，而傳統(tǒng)的水位—流量關(guān)系法在這些復(fù)雜的水流條件下已不適用。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS），ISO和WMO都認(rèn)可，在出現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜水流條件時(shí)，如出現(xiàn)變動(dòng)回水、潮汐流、雙向水流、逆流、小比降、水流變化加快或動(dòng)能變化大等情況時(shí)，可將指標(biāo)流速法作為一種測(cè)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

最常見的指標(biāo)流速法方程多為一個(gè)簡(jiǎn)單的、單變量線性方程，表達(dá)式為：

式中：V平均為平均流速（在指定河流斷面），m/s；V測(cè)量為傳感器給出的觀測(cè)流速，m/s（也被稱為“指標(biāo)流速” ）；a為斜率系數(shù)（無量綱）；b為截距系數(shù)。

河道斷面的總流量是斷面總面積（AT）與平均流速（V平均）的乘積，即：

式中斷面總面積（AT）可以通過建立水位與實(shí)測(cè)已知斷面面積之間的相關(guān)關(guān)系來確定。由此就可以得到河道斷面的總流量。

3 斷面安裝選擇

按照聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，測(cè)流斷面應(yīng)選取順直，無岔流，紊流，河床穩(wěn)定，水流集中，相對(duì)穩(wěn)定，遠(yuǎn)離水工建筑，距離水工建筑的距離至少為洪水期間河寬的 3 ～ 5 倍[3]。

經(jīng)過謹(jǐn)慎嚴(yán)格的選址和專家多方論證，最終確定安裝位置在原站房下游150 m的瓶窯大橋斷面處。采用導(dǎo)軌式支架固定在橋墩上，支架長度3 m，ADCP安裝于右邊橋墩上，起點(diǎn)距40 m，高程1.16 m，約26 m采樣范圍，能很好覆蓋主流部分[4-5]。安裝示意見圖3。

圖3 瓶窯站H-ADCP安裝位置示意圖

4 H - ADCP系統(tǒng)定線及結(jié)果驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)定線

通過收集汛期（2018年6月27日—2018年10月1日）的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)和指標(biāo)流速數(shù)據(jù)，建立指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系(見圖4)。

圖4 指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系圖

4.2 測(cè)量驗(yàn)證

本次驗(yàn)證資料為2018年9月27日至10月23日逐日的人工實(shí)測(cè)資料。在線ADCP流量對(duì)比驗(yàn)證期間，實(shí)測(cè)流量變幅在 19.1 ～ 458.0 m3/s。

在線ADCP與流速儀纜道實(shí)測(cè)流量計(jì)算出的斷面流量Q實(shí)測(cè)進(jìn)行比測(cè)，為確保資料一致性和精度，實(shí)測(cè)流量選用測(cè)流平均時(shí)間作為和流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的同步時(shí)間，如系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)間與實(shí)測(cè)流量平均時(shí)間出現(xiàn)偏差，則盡可能選擇其接近時(shí)間。

實(shí)測(cè)流量選用測(cè)流時(shí)間段內(nèi)平均時(shí)間點(diǎn)作為和在線ADCP流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的同步時(shí)間，共選取25組流量數(shù)據(jù)資料；對(duì)在線ADCP測(cè)量與實(shí)際測(cè)量流量進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比以及誤差分析。H - ADCP測(cè)量流量和實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 H - ADCP測(cè)量流量和實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)對(duì)比表

續(xù)表1

從表1可知，H - ADCP系統(tǒng)測(cè)量偏差保持在±8%以內(nèi)，測(cè)量精度滿足使用要求。

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)從測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)得到終端僅需要數(shù)秒鐘便可完成，具有簡(jiǎn)單、快捷、全天候、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)。

系統(tǒng)從硬件2016年9月26日安裝到2016年11月9日，理論數(shù)據(jù)總數(shù)4 258，實(shí)際接收數(shù)據(jù)總數(shù)4 258，數(shù)據(jù)接收完整率為達(dá)到100%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

纜道流速儀實(shí)測(cè)流量與在線ADCP測(cè)量流量對(duì)比結(jié)果顯示，關(guān)系測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se = 4.90%，隨機(jī)誤差為9.80%≤10.00 %，系統(tǒng)誤差為0.57%≤ ±1.00 %，均達(dá)到SL 247 —2012《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定的二類水文測(cè)驗(yàn)站精度要求[6-9]，可應(yīng)用于日常的水利防汛和水量分析計(jì)算。

6 結(jié) 語

本文針對(duì)目前水文站長期存在的日常測(cè)流工作量大，人力不足，流量資料缺少等問題，選擇東苕溪流域的瓶窯站作為實(shí)驗(yàn)站，對(duì)自動(dòng)測(cè)流技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探索，經(jīng)過1 a多的努力，實(shí)現(xiàn)H - ADCP技術(shù)在復(fù)雜河段的成功應(yīng)用，在本研究中主要取得以下研究成果：

（1）針對(duì)基層水文站的人力現(xiàn)狀，利用技術(shù)換人思路，充分運(yùn)用自動(dòng)測(cè)流技術(shù)，有效突破基層人力瓶頸，為在重要河段的測(cè)流提供解決方案。

（2）通過硬件的選型和軟件的算法優(yōu)化，建立對(duì)外界抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)不同水流具有較好的適應(yīng)性的系統(tǒng)。

（3）利用系統(tǒng)的水位、流速、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行水文資料整編，可減少資料二次錄入帶來的錯(cuò)誤，提高資料整編質(zhì)量和工作效率。

（4）H - ADCP流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)分析及驗(yàn)證，滿足瓶窯水文站流量自動(dòng)測(cè)驗(yàn)要求，提高本站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平，可用于水文站的日常流量監(jiān)測(cè)。