水平式ADCP在羅定江羅定古欖水文站的應(yīng)用研究

莫鈞雯

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 測(cè)站概況

1.1 基本概況

羅定古欖站設(shè)于羅定江中上游，建于1958年5月，位于羅定市連州鎮(zhèn)古欖村，是羅定江的區(qū)域代表站，斷面以上集雨面積為936 km2，至河口距離為129 km。該站為搜集水文資料，水文情報(bào)預(yù)報(bào)而設(shè)，屬國(guó)家二類精度水文站，主要測(cè)驗(yàn)任務(wù)有水位、流量、降雨量、蒸發(fā)量觀測(cè)等。

1.2 測(cè)驗(yàn)斷面

羅定古欖站測(cè)驗(yàn)河段比較順直，長(zhǎng)約為370 m，河寬約為50 m，河床為沙石組成，斷面基本規(guī)則、穩(wěn)定，無漫灘現(xiàn)象。斷面上游約200 m處為一急彎，下游約170 m處是峽口，水流開始擴(kuò)散，主流集中偏于右岸，兩岸為巖石、粘土，不易沖刷。斷面上游約8 km處有新榕電站，下游約70 m處有拱橋(古欖橋)，兩岸無民船停泊，斷面上下游兩公里內(nèi)無較大的支流加入。低水測(cè)驗(yàn)受上游電站蓄、放水影響較大。

1.3 水文特征

羅定古欖站多年平均水位為4.30 m，歷史最高水位為1972年11月的12.03 m，流量為1 860 m3/s，流速為4.93 m/s；歷史最低水位為2012年4月為3.33 m，實(shí)測(cè)最小流量為1971年3月的0.46 m3/s(羅定古欖水文站水位高程使用凍結(jié)基面，該站基面關(guān)系式：凍結(jié)基面以上米數(shù)+52.594 m=珠江基面以上米數(shù))。

2 比測(cè)試驗(yàn)

2.1 比測(cè)目的和方法

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)[1]和《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(SL 337—2006)[2]，通過HADCP與轉(zhuǎn)子式流速儀的53組同步流量測(cè)驗(yàn)比較，率定儀器相關(guān)使用參數(shù)取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過比較分析，確定HADCP是否適用于羅定古欖水文站的測(cè)驗(yàn)環(huán)境以及驗(yàn)證HADCP在替代傳統(tǒng)流速儀測(cè)流的可行性和優(yōu)越性，解決常規(guī)流速儀測(cè)流耗時(shí)長(zhǎng)以及勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。

以HADCP施測(cè)的指標(biāo)流速V指標(biāo)與纜道所測(cè)流量計(jì)算出的斷面平均流速V平均建立相關(guān)關(guān)系，再根據(jù)相關(guān)關(guān)系計(jì)算出關(guān)系線上的查線流速V查線，即率定得到V查線=f(V指標(biāo))關(guān)系式。為了使HADCP與纜道測(cè)流率定資料時(shí)間同步，指標(biāo)流速選取了與纜道測(cè)流平均時(shí)間最接近的HADCP所測(cè)的數(shù)據(jù)參與率定分析。

2.2 HADCP工作原理

HADCP測(cè)流傳感器是根據(jù)聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高，而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低的多普勒頻移原理測(cè)量水體流速的，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。每個(gè)換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物(如泥沙、氣泡等漂浮物)散射回來的聲波。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：

fd=2fδ(v/c)

(1)

式中fd為聲學(xué)多普勒頻移，kHz；fδ為回波頻率,kHz；v為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度,m/s；c為聲波在水中的傳播速度,m/s。

2.3 儀器安裝位置

遵循儀器選址原則，結(jié)合羅定古欖站實(shí)際地形、流態(tài)等情況，選擇將HADCP安裝在左岸位于基本測(cè)流斷面上游15 m，起點(diǎn)距23.0 m處，(以流速儀測(cè)流斷面零樁起算，HADCP安裝位置示意見圖1)，并設(shè)立防控區(qū)，安裝高程為1.91 m。

羅定古欖水文站歷年大斷面見圖2。

圖1 HADCP安裝位置示意

圖2 羅定古欖水文站歷年大斷面示意

2.4 儀器參數(shù)設(shè)置

通過儀器試安裝調(diào)試的回波強(qiáng)度變化分析(如圖3所示)，初設(shè)的主要參數(shù)是：代表流速采樣在1～24個(gè)單元格范圍內(nèi)，采集區(qū)間在起點(diǎn)距18～52.5 m，采樣歷時(shí)為120 s，采樣間隔為600 s，盲區(qū)為 0.4 m。洪水期間，流速較大，受水流沖擊，探頭縱搖(以Y為軸旋轉(zhuǎn))為-1.0°～0.2°，橫搖(以X為軸旋轉(zhuǎn))為-0.5°～1.0°，探頭方位角為126.2°。

圖3 HADCP流量監(jiān)測(cè)網(wǎng)頁(yè)截取單元流速分布示意

3 HADCP比測(cè)率定分析

3.1 流速率定關(guān)系

本次率定分析資料的時(shí)間段為2019年1月19日—12月31日，共收集了53份率定分析資料，滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[1]中不少于30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的要求。實(shí)測(cè)流量變幅為3.49～691m3/s，流速變幅為0.19～2.54 m/s，水位變幅3.39～7.29 m，比測(cè)情況見表1。

表1 流速儀與HADCP比測(cè)情況

根據(jù)表1比測(cè)數(shù)據(jù)，HADCP的指標(biāo)流速和斷面平均流速的關(guān)系如圖4所示，呈明顯的線性關(guān)系，建立相關(guān)公式為：

V平均=0.066 4V指標(biāo)2+0.7542V指標(biāo)-0.002 6

圖4 羅定古欖水文站指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系線示意

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[1]要求，對(duì)上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線檢驗(yàn)。由于第一次建立的關(guān)系曲線不符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)[4]的要求，且發(fā)現(xiàn)流速小于0.1 m/s的測(cè)點(diǎn)存在相對(duì)較大的誤差，經(jīng)分析這些測(cè)點(diǎn)為人為誤差或受上游電站影響，因此，在進(jìn)行三線檢驗(yàn)時(shí)，V平均<0.10 m/s的較低水測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不參加統(tǒng)計(jì)(見表2)。

表2 指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算

參考《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[2](征求意見稿)6.7.6，檢驗(yàn)分析結(jié)果如下：關(guān)系線測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=8.2%，隨機(jī)誤差為16.4%<18%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求；系統(tǒng)誤差為-0.72%≤±2%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。檢驗(yàn)計(jì)算：

① 符號(hào)檢驗(yàn)：n=44 ，K=18 (K為正號(hào)個(gè)數(shù))，u=1.06<1.15，認(rèn)為合理，符號(hào)檢驗(yàn)通過。

② 適線檢驗(yàn)：n=44 ，不變換符號(hào)“0”次數(shù)為 11，變換符號(hào)“1”次數(shù)為 32，變換符號(hào)次數(shù)大于不變換符號(hào)次數(shù)，免作適線檢驗(yàn)。

③ 偏離數(shù)值檢驗(yàn)：n=44 ，平均相對(duì)偏離值ΔP=-0.74%，P的標(biāo)準(zhǔn)差S=8.08，ΔP的標(biāo)準(zhǔn)差Sp=1.22，統(tǒng)計(jì)量t=-0.61，|t|=0.61<1.30，認(rèn)為合理，偏離數(shù)值檢驗(yàn)通過。

結(jié)果：上述3種方法對(duì)水位流量關(guān)系曲線的檢驗(yàn)，均達(dá)到規(guī)范要求，認(rèn)為定線正確。

3.2 流量精度對(duì)比分析

通過選取完整的洪水過程流量進(jìn)行驗(yàn)證分析，分別采用羅定古欖站常規(guī)的臨時(shí)曲線法與HADCP相應(yīng)流速級(jí)關(guān)系推求的日平均流量進(jìn)行比較分析，以常規(guī)法推求的日平均流量為準(zhǔn)。由于2019年為偏枯年份，故選取該年較大且完整洪水過程和有代表性的平水期過程進(jìn)行日平均流量的對(duì)照分析，時(shí)間段為2019年7月9日—2019年8月14日(洪水期)和2019年12月1日—2019年12月20日(枯水期)，具體分析見表3～4及圖5～6。

表3 洪水期日平均流量對(duì)照

表4 枯水期日平均流量對(duì)照

圖5 洪水期日平均水位流量過程線示意

圖6 枯水期日平均水位流量過程線示意

從表3～4和圖5～6中可以看出，HADCP與常規(guī)推流計(jì)算出的逐日平均流量與水位過程線相互呼應(yīng)，較好地反映出流量的變化過程且線形間相互交替，相對(duì)誤差有正、負(fù)，達(dá)到了流量精度控制指標(biāo)要求。說明V指標(biāo)～V平均相關(guān)關(guān)系良好，具有連續(xù)性和代表性。

在圖表中可以看出兩種方法推算的成果雖有偏差。但考慮到兩種成果測(cè)驗(yàn)方式和流量推求方法不一致，HADCP流量是實(shí)測(cè)出的V指標(biāo)通過率定的相關(guān)關(guān)系推求的，具有實(shí)時(shí)性，能真實(shí)地反映瞬時(shí)流量的變化過程；而定線推求的流量是根據(jù)水位的變化，選取代表點(diǎn)通過流速儀實(shí)測(cè)后采用臨時(shí)曲線法推求的，所以在一定程度上只具有相對(duì)的可比性。

3.3 實(shí)測(cè)流量對(duì)照合理性分析

從圖7看出，在洪、枯水期，HADCP所測(cè)指標(biāo)流速利用率定關(guān)系公式所計(jì)算的實(shí)時(shí)流量與纜道實(shí)測(cè)流量相呼應(yīng)，相對(duì)誤差較小，沒有出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，滿足水文精度要求，說明HADCP在線測(cè)量成果精度高、穩(wěn)定性好。

圖7 實(shí)測(cè)流量與HADCP流量對(duì)照線示意

4 率定質(zhì)量評(píng)定及儀器安全保障

1) 本次率定分析資料的時(shí)間段為2019年1月19日—2019年12月31日，共收集了53份率定分析資料，在此期間，HADCP運(yùn)行基本正常，采集信息連續(xù)，較為可靠，流量過程較為完整。但由于羅定古欖站是高雷區(qū)，受雷擊較為嚴(yán)重，中途曾被雷擊過兩次，通過單位管理人員和儀器公司的積極溝通、交流和全面排查并及時(shí)更新設(shè)備之后，儀器恢復(fù)正常。

2) HADCP在線測(cè)流法突破了傳統(tǒng)人工流速儀測(cè)流法的工作模式，測(cè)流自動(dòng)化解放了勞動(dòng)力，且HADCP在測(cè)流頻次能達(dá)到5 min/次的采集密度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)，這是人工作業(yè)無法實(shí)現(xiàn)的；大大減輕該站流量測(cè)驗(yàn)、水量平衡計(jì)算的工作量，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的錯(cuò)誤，提高整編質(zhì)量和工作效率。

3) 在本次HADCP的比測(cè)率定工作中，率定資料的水位變幅為3.39～7.29 m，實(shí)測(cè)流量變幅3.49～691 m3/s，相應(yīng)流速變幅為0.19～2.54 m/s，在此范圍之內(nèi)，HADCP的V指標(biāo)～V平均關(guān)系線通過三線檢驗(yàn)，定線精度符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 274—2012)[4]要求。建立相關(guān)關(guān)系線公式為：

V平均=0.066 4V指標(biāo)2+0.754 2V指標(biāo)-0.002 6

(2)

適用范圍為在中、低流速期間(0.1 m/s

4) 防撞擊安全措施。HADCP河段屬于非通航河段，船只較少，測(cè)驗(yàn)過程中有個(gè)別過往船只和漂浮物等對(duì)HADCP有一定的影響，但是相對(duì)影響較小。固定樁噴涂警示顏色，提醒船只勿靠近；探頭兩邊都焊接有保護(hù)板，以保護(hù)探頭不被船只直接觸碰，也起到阻擋垃圾的作用。

5) 防盜安全措施。定制不銹鋼支架和軌道，探頭及大半導(dǎo)軌沒入水下，固定支架的不銹鋼鋼管打樁到河底，采集控制器安裝在站舍里面，太陽能電池板安裝在站舍樓頂，盡量避免儀器拋頭露面。

5 結(jié)語

通過對(duì)羅定古欖水文站HADCP流速關(guān)系率定分析、流量精度對(duì)比、實(shí)測(cè)流量成果對(duì)照，可以認(rèn)為HADCP安裝位置和采樣區(qū)域代表性良好，系統(tǒng)誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，定線精度符合有關(guān)規(guī)范要求，滿足整編要求，可正式投入使用。

HADCP測(cè)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、不擾動(dòng)流場(chǎng)、易于管理，適用與較為邊遠(yuǎn)，人力不足，斷面地形較為規(guī)則穩(wěn)定，流場(chǎng)流況相對(duì)穩(wěn)定的的水文站點(diǎn)。但由于近兩年都是平水偏枯年份，因此中高水位應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行比測(cè)分析，擴(kuò)大關(guān)系式的適用范圍。