回水影響下H-ADCP在線流量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

劉運珊 程 亮

(贛江上游水文水資源監(jiān)測中心，江西 贛州 341000)

山區(qū)的大中河流大多數(shù)水力資源豐富且擁有良好的開發(fā)條件，是水電開發(fā)的重點區(qū)域[1]。隨著階梯式水電工程的建成，水文測站處于回水區(qū)時，水位-流量關(guān)系變得復(fù)雜，為推求徑流量常采用連實測流量過程線方法整編，但該方法要求測量測次足夠，工作成本相對較大[2]，且無法掌握流量實時變化過程，時效性差。水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(以下簡稱H-ADCP)將聲學(xué)換能器固定安裝在水下合適位置監(jiān)測河流平層流速，采用指標流速法推算斷面平均流量來實現(xiàn)流量在線監(jiān)測，是一種利用聲學(xué)多普勒原理測驗流量的設(shè)備[3]。H-ADCP對于常年水深較大、水平層流速代表性較好的測站具有較大的實用價值，可實現(xiàn)流量實時監(jiān)測自動化[4-5]?，F(xiàn)以受回水影響的江西省壩上水文站為例，使用H-ADCP進行流量實時在線監(jiān)測，率定H-ADCP流速關(guān)系并進行流量及整編成果分析，分析H-ADCP在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在受回水影響的監(jiān)測站點的應(yīng)用情況。

1 測站基本情況

壩上水文站始建于1953年1月，流域面積7657km2，位于贛州市章江新區(qū)梅關(guān)大道，屬于長江流域鄱陽湖區(qū)贛江水系一級支流章水控制站，為一類精度水文站，是國家重點水文站。該站實測歷史最高水位為103.83m，出現(xiàn)時間是1961年6月13日；實測歷史最低水位為93.82m，出現(xiàn)時間是2004年1月28日；多年平均流量198m3/s，多年平均年徑流總量為62.4億m3。

該站測驗河段順直，兩岸為人工整治河堤，河岸穩(wěn)定，無漫灘，河床由細沙和淤泥組成，有沖淤現(xiàn)象，枯水時露沙灘，水流分叉，系土質(zhì)，斷面下游1.2km處河道彎曲。斷面上游8km處有章江水輪泵站一座，0.5km處有一面積約0.12km2的江心洲；下游12km與貢水匯合后始稱贛江。2001年在下游11.5km處建章江橡膠壩一座，于2002年5月下旬開始蓄水。受橡膠壩回水頂托影響，該站中低水位基本處于回水區(qū)，平水期水位壅高1.5～2.3m左右，流速僅為0.02～0.20m/s，為此，該站采用連實測流量過程線法推求及整編流量。

2 儀器設(shè)備情況

2.1 儀器主要參數(shù)

該站采用了淘金者Argonaut-SL500型流量計。主機外殼為寬33.2cm×高17.8cm×厚12.4cm的實體，正面有2個用于測量水層水體流速的水平聲學(xué)傳感器，頂端有1個用于向上測量水深的垂直聲學(xué)傳感器。主要參數(shù)見表1。

表1 儀器主要參數(shù)

2.2 儀器安裝情況

H-ADCP采用指標流速法進行流量監(jiān)測，即指標流速乘以借用斷面面積得到指標流量。按照規(guī)范要求并結(jié)合壩上站實際地形、流態(tài)等情況，將H-ADCP儀器安裝在河道左岸基本水尺斷面上游1.0m，儀器距測流斷面4.0m(測流斷面位置為基上5.0m)，起點距13m、高程96.80m處，安裝位置見圖1和圖2。按照H-ADCP波束角1.4°計算，測量范圍要求水位大于97.3m。H-ADCP指標流速采集范圍為左岸5～80m(起點距18～93m)內(nèi)的水平平均流速。

圖1 H-ADCP安裝位置剖面圖

圖2 H-ADCP安裝位置縱向圖

3 應(yīng)用情況

3.1 比測方案

a.收集壩上站2020年1—10月的實測流量，與同一時間的在線H-ADCP流量進行對比分析，確定相關(guān)性，并分析誤差存在的原因。

b.對斷面的穩(wěn)定性進行分析。

c.將H-ADCP流量整編成果與原連實測流量過程線的整編成果進行對比分析，分析H-ADCP在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在該站的應(yīng)用情況。

3.2 資料情況

本次采用2020年1月4日至10月31日數(shù)據(jù)，水位位于97.30m以上的實測流量137次，H-ADCP每15min采集一組指標流速數(shù)據(jù)，共收集數(shù)據(jù)30266組。實測流量及H-ADCP數(shù)據(jù)情況(見表2)顯示：1—10月數(shù)據(jù)中，受下游回水頂托的影響，蓄水期間H-ADCP出現(xiàn)極少量負流速情況，通過調(diào)查同期下游大壩滲流流量，進行修正。

表2 比測期間監(jiān)測洪水變幅情況

3.3 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)壩上站歷年測驗斷面特性和2020年汛前、汛中所測大斷面面積和平均河底高程變化分析，測驗斷面局部有沖淤現(xiàn)象，但總體較為穩(wěn)定，兩次測量結(jié)果接近。其中在水位97m時相對誤差1.6%，水位100m時相對誤差0.6%，說明斷面穩(wěn)定性較好，H-ADCP可借用斷面見圖1和表3。

表3 壩上站2020年斷面變化分析成果

3.4 流速率定

將137次實測斷面平均流速與相應(yīng)時間H-ADCP所測指標流速進行對比，其中H-ADCP指標流速為相應(yīng)時間內(nèi)的算術(shù)平均值。由圖3和表4可以看出，二者有明顯的線性關(guān)系：流速以0.57m/s為分界，呈現(xiàn)折線關(guān)系，相關(guān)性良好，即流速小于0.57m/s時，采用Ⅰ線關(guān)系式y(tǒng)=1.1028x+0.0222，相關(guān)系數(shù)R2為0.9575，系統(tǒng)誤差0，標準差0.3%，不確定度0.6%，適線檢驗合理，由于測點多且沒有刪除凸出測點，故符號檢驗和數(shù)值偏離檢驗略偏大，總體來說該線還是合理的；流速大于等于0.57m/s時，采用Ⅱ線關(guān)系式y(tǒng)=0.7445x+0.1933，相關(guān)系數(shù)R2為0.9989，系統(tǒng)誤差0.1%，標準差1.4%，不確定度2.8%，三檢結(jié)果合理。

表4 斷面平均流速與H-ADCP指標流速回歸方程三線檢驗結(jié)果

圖3 實測、在線流速相關(guān)圖

本次率定樣本范圍水位為97.30～99.25m，實際水位變幅95.94～99.26m，高水延長線延長30%后該流速關(guān)系可用范圍為97.30～100.25m。

3.5 流量分析

將H-ADCP指標流速乘以率定的K值，得到H-ADCP斷面平均流速，再乘以借用斷面面積，即得到流量。將137次實測流量與相應(yīng)時間H-ADCP所測流量進行對比分析，實測流量與H-ADCP流量關(guān)系見圖4。二者有明顯的線性關(guān)系，R2為0.9895，相關(guān)性好。經(jīng)計算，絕對誤差平均值為-0.06m3/s，系統(tǒng)誤差為0.02%。

圖4 實測斷面平均流量與H-ADCP斷面平均流量關(guān)系

2020年實測最大流量測次為第52次，相應(yīng)水位為99.25m，實測最大流量為1870m3/s，同期H-ADCP測得流量為1886m3/s，相對誤差0.87%。2020年實測最小流量測次為第33次，相應(yīng)水位為97.10m，實測最小流量為11.5m3/s，此時水位已低于H-ADCP水深范圍0.2m。

3.6 整編成果分析

將2020年1—10月徑流量以連實測流量法與H-ADCP進行整編，經(jīng)分析，水位在97.30m以上時(2020年1—10月97.3m以上實測測次占比為90.3%)，在線整編成果較好，選擇本年度一次最大洪水過程進行次洪徑流量對比，次洪流量過程對照見圖5。可以看出，年徑流總量誤差-1.60%、汛期徑流量誤差-2.75%、一次洪水過程徑流量誤差-2.81%，滿足規(guī)范要求。詳見表5。

圖5 年最大洪水水位流量過程對照圖

表5 徑流量對比及誤差

4 問題及建議

在使用H-ADCP進行流量實時在線監(jiān)測的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些問題并針對發(fā)現(xiàn)的問題提出相應(yīng)建議如下：

a.受回水影響，設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)時可能監(jiān)測到少量負流速情況，此時應(yīng)調(diào)查大壩滲流流量，以作修正。

b.H-ADCP探頭安裝在水中，當儀器出現(xiàn)故障時，無法判斷儀器是否故障，只能通過網(wǎng)絡(luò)平臺上查詢數(shù)據(jù)判斷儀器或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障，維護較為困難。

c.保持設(shè)備正常運行是確保測量精度的有效措施，每天要監(jiān)視H-ADCP數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障時要及時維修。

d.當校核流量與關(guān)系式計算流量發(fā)生較大系統(tǒng)偏離時，要及時對關(guān)系式進行重新分析，驗證關(guān)系的穩(wěn)定性。

e.斷面存在沖淤情況，為保證數(shù)據(jù)準確，大斷面汛前、汛中、汛后各施測一次，較大洪水過后及時施測斷面，并及時更新斷面數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

在受回水影響的壩上水文站進行試驗，使用H-ADCP進行流量實時在線監(jiān)測，率定H-ADCP流速關(guān)系并進行流量及整編成果分析，發(fā)現(xiàn)壩上站實測斷面平均流速與指標流速有明顯的線性關(guān)系，實測流量與H-ADCP流量相關(guān)性較好。適用水位級內(nèi)，H-ADCP在線整編成果較好，年徑流總量誤差、汛期徑流量誤差及一次洪水過程徑流量誤差均滿足規(guī)范要求，成果可用于資料整編。H-ADCP在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在受回水影響的監(jiān)測站點的應(yīng)用情況較好，能較好地彌補連實測流量過程線方法整編的不足，但使用H-ADCP在線流量監(jiān)測系統(tǒng)時，應(yīng)注意若出現(xiàn)負流量時應(yīng)及時調(diào)查下游大壩滲流情況以作流量修正，每天應(yīng)監(jiān)視H-ADCP數(shù)據(jù)以保持設(shè)備正常運行，并及時更新斷面數(shù)據(jù)。