河道流速最優(yōu)代表垂線探尋方法

楊創(chuàng)鵬,韋庭春

(1.廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000; 2.南京靈水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

近年來，我國(guó)河道流量測(cè)驗(yàn)儀器有了很大的改善，從流速儀、水工建筑物等逐漸發(fā)展出電波流速儀、聲學(xué)多普勒剖面流速儀，其中聲學(xué)多普勒剖面流速儀簡(jiǎn)稱ADCP，得到了廣泛的應(yīng)用[1-7]。ADCP按測(cè)驗(yàn)方式又分為走航式ADCP、水平固定式ADCP和垂直固定式ADCP。固定式ADCP只能測(cè)量河道水體某一流層或某一垂線的流速，再通過與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，以及查詢?cè)摵拥罃嗝嫠弧娣e關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算得到斷面流量[8]。在這過程中，固定式ADCP所測(cè)流層或垂線位置的選取尤為重要，其測(cè)驗(yàn)位置的代表性決定代表流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系的好壞，直接影響最終斷面流量的測(cè)驗(yàn)精度。而固定式ADCP一旦安裝就不易變換位置，尤其在無水文歷史資料的河道斷面，其安裝位置的選取難度極大。

本文主要探討在無水文歷史資料的河道斷面，利用走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)成果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理，結(jié)合河道地形，推算出流速最優(yōu)代表垂線位置，為垂直固定式ADCP的安裝位置提供參考依據(jù)。

2 研究方法

2.1 資料需求

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)水資源的管理越來越重視，對(duì)水利信息化要求越來越高，而在河網(wǎng)密布的珠三角地區(qū)河流監(jiān)測(cè)站以潮位站為主，僅有極少數(shù)站有監(jiān)測(cè)流量，絕大部分河段均無歷史流量測(cè)驗(yàn)，缺乏河道地形、橫斷面、流速分布等資料。走航式ADCP在流量測(cè)驗(yàn)過程中，可收集到斷面流量、平均流速、面積、垂線水深、水面寬、船速、水溫等多個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)[9-10]，為探尋測(cè)驗(yàn)河段有代表性的測(cè)流垂線，需要使用ADCP后處理軟件對(duì)測(cè)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)一步得到橫斷面流速分布情況，獲取指定起點(diǎn)距測(cè)速垂線各流層流向流速。

2.2 代表垂線優(yōu)選方法與原則

天然河道的流速橫向分布并非雜亂無章，其具有一定規(guī)律，如順直、無支流和擋水構(gòu)筑物的河流，其流速分布為中弘流速最大，向兩岸逐漸變小，且當(dāng)河流流態(tài)不發(fā)生改變時(shí)，其流速橫向分布規(guī)律是穩(wěn)定的。河流的這一特性決定了部分水體流速與整體流速之間具有一定的關(guān)系，通過建立關(guān)系，測(cè)量此部分水體流速，可計(jì)算得到整體斷面的流速。本文通過分析多條走航式ADCP的測(cè)速垂線，綜合考慮相關(guān)關(guān)系、測(cè)驗(yàn)等多方面的要求選取代表垂線，從而實(shí)現(xiàn)斷面平均流速的測(cè)驗(yàn)。

走航式ADCP測(cè)流結(jié)果只有流速單元，沒有測(cè)速垂線，為選擇代表垂線，確定垂直固定式ADCP安裝位置，應(yīng)先根據(jù)測(cè)驗(yàn)河道大斷面資料，按照測(cè)速垂線布設(shè)原則，假定多條測(cè)速垂線，使其基本控制斷面地形和流速沿河寬分布的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且河流主槽垂線布設(shè)應(yīng)較河灘為密，再通過后處理軟件提取各垂線平均流速。

代表垂線優(yōu)選應(yīng)綜合考慮垂直固定式ADCP測(cè)驗(yàn)要求、環(huán)境影響、安裝難度、代—斷關(guān)系等因素。垂直固定式ADCP測(cè)驗(yàn)需要一定水深，需根據(jù)河段歷史最低水位、平均水位及河床高程進(jìn)行判斷，同時(shí)在潮汐河流岸邊多數(shù)會(huì)出現(xiàn)回流，因此，不宜選擇距岸邊太近及水深較淺位置。大部分河道具有通航功能，其主流位置往往為主航道，代表垂線的選擇應(yīng)盡量避開主航道，以免過往航船對(duì)測(cè)驗(yàn)精度造成影響，甚至水位較低時(shí)撞毀儀器，同時(shí)，優(yōu)先選擇河床起伏變化較小位置，以降低安裝難度。測(cè)速垂線的代—斷關(guān)系，決定垂直固定式ADCP流量測(cè)驗(yàn)的精度，代表垂線的選擇必須考慮代—斷關(guān)系穩(wěn)定且良好。

3 研究實(shí)例

3.1 測(cè)速垂線布設(shè)

本文以珠江三角洲潮汐河流西航道廣和大橋下游測(cè)流斷面為研究區(qū)域，擬在河床安裝垂直固定式ADCP，從而探求河道的水量情況。該河段建有老鴉崗潮位站，實(shí)測(cè)歷史最高水位為3.59 m，歷史最低水位為-0.63 m，河道順直，兩岸修有堤防，部分河段右岸有規(guī)模較小的灘地。本文利用走航式ADCP進(jìn)行潮期為26 h連續(xù)整時(shí)測(cè)驗(yàn)，獲得不同水位級(jí)的流速分布資料，水深狀況以及斷面形狀。走航式ADCP測(cè)量是動(dòng)態(tài)過程，每2條垂線間的橫向距離由當(dāng)時(shí)水深及船速?zèng)Q定，因此，垂線間距并非固定數(shù)值。對(duì)于單組數(shù)據(jù)，平均流速和水深值也具有一定脈動(dòng)，所以,根據(jù)實(shí)際大斷面情況，數(shù)據(jù)需提取一定水深范圍內(nèi)的垂線流速及水深平均值，作為某條固定垂線的水深值及平均流速值。

為得到測(cè)驗(yàn)河段較為有代表性的測(cè)流垂線，需使用ADCP后處理軟件，計(jì)算每組走航測(cè)量時(shí)的測(cè)時(shí)水位、過水面積、斷面平均流速、瞬時(shí)流量、各垂線對(duì)應(yīng)的平均流速和水深等。依據(jù)大斷面情況，通過斷面測(cè)速垂線布設(shè)原則以及考慮儀器安裝情況，初步選取110 m、170 m、240 m和330 m 4個(gè)垂線位置進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而選取最優(yōu)代表垂線進(jìn)行儀器安裝(如圖1所示)。

圖1 測(cè)驗(yàn)斷面垂線布設(shè)示意

走航式ADCP在多次測(cè)量過程中無法保證走航路線一致，為減少由位置偏移產(chǎn)生的垂線平均流速誤差，本文采用多條測(cè)速垂線的流速平均值作為代表垂線流速。分析測(cè)驗(yàn)河段大斷面，結(jié)果可知：當(dāng)起點(diǎn)距變幅在±5 m內(nèi)時(shí)，河底高程變幅相對(duì)不大，在±0.3 m范圍內(nèi)。因此，本文代表垂線寬取10 m，其中走航式ADCP測(cè)速單元寬為2.5 m，即取連續(xù)4條單元垂線的均值作為1條代表垂線測(cè)量值，得到數(shù)據(jù)，表1為起點(diǎn)距170 m代表垂線流速提取方法及計(jì)算結(jié)果。

表1 起點(diǎn)距170 m處流速計(jì)算結(jié)果

3.2 垂線擬合結(jié)果對(duì)比

利用走航式ADCP測(cè)量數(shù)據(jù)，提取垂線平均流速與走航式ADCP，測(cè)完整各斷面得出的平均流速之間相關(guān)性進(jìn)行分析，建立各垂線平均流速與實(shí)測(cè)斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系(如圖2所示)。

圖2 各代表垂線平均流速與實(shí)測(cè)斷面平均流速擬合結(jié)果

為判斷代表流速—斷面平均流速相關(guān)關(guān)系，按《水文測(cè)量規(guī)范》(SL 58—2014)和《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)要求，對(duì)代表流速—斷面平均流速相關(guān)關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)(即三線檢驗(yàn))，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 測(cè)速垂線代—斷關(guān)系三線檢驗(yàn)結(jié)果 %

從檢驗(yàn)結(jié)果表2可知：起點(diǎn)距為330 m的測(cè)速垂線代—斷關(guān)系較差，未通過偏離數(shù)值檢驗(yàn)，且測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)誤差均相對(duì)較大。起點(diǎn)距為110 m、170 m和240 m的3條測(cè)速垂線均通過3線檢驗(yàn)，其中起點(diǎn)距為240 m的測(cè)速垂線標(biāo)準(zhǔn)差、誤差、系統(tǒng)誤差均比110 m和170 m垂線大，代—斷關(guān)系相對(duì)不穩(wěn)定。

起點(diǎn)距為170 m垂線水深相對(duì)110 m垂線較深，河床遠(yuǎn)低于歷史最低水位，且更靠近河道主流位置，在低潮時(shí)能保證足夠的測(cè)速區(qū)間，避免測(cè)速區(qū)間過短而影響測(cè)驗(yàn)精度。因此，綜合考慮儀器測(cè)驗(yàn)要求、代—斷關(guān)系，4條測(cè)速垂線優(yōu)選順序?yàn)椋?70 m垂線最優(yōu)，其次為110 m，240 m，330 m。經(jīng)調(diào)查，170 m垂線不在主航道范圍內(nèi)，但又靠近主流，在此位置安裝垂線固定式ADCP不會(huì)影響通航，同時(shí)又能獲得最佳測(cè)驗(yàn)效果。

4 結(jié)論與建議

本文探討數(shù)據(jù)來源為走航式ADCP在連續(xù)走航過程測(cè)到的原始數(shù)據(jù)，本身走航式ADCP是在移動(dòng)測(cè)量的，無法保證多次測(cè)量路線的一致性，垂線平均流速自身穩(wěn)定性有一定偏差，單條垂線測(cè)量的數(shù)據(jù)也有一定的脈動(dòng)。同時(shí)取單一垂線代表整個(gè)斷面流速具有一定的局限性，代—斷關(guān)系的穩(wěn)定性對(duì)流速測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有較大影響，故此方法僅適用于順直、漫灘范圍小，無橋梁、沙洲等攔河阻水物體的河流，且測(cè)驗(yàn)斷面附近無較大支流匯入。

本文選取垂線位置附近一定范圍內(nèi)的多條單元垂線平均流速均值作為代表垂線平均流速，利用此平均流速進(jìn)行關(guān)系擬合，評(píng)定代表性關(guān)系的好壞程度，從而尋找河道斷面最優(yōu)代表垂線，為安裝垂直固定式ADCP，實(shí)現(xiàn)流量在線測(cè)驗(yàn)，具有參考指導(dǎo)意義。