水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀在河道流量測驗中的運用分析

陳 剛，劉爾燁，余乃旺，黃宏家，張明明

（江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局,江蘇 鹽城 224000）

水文現(xiàn)代化是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ),而流量測驗和傳輸是否實現(xiàn)自動化則是水文現(xiàn)代化的重要指標(biāo)。目前,水文行業(yè)正處于從“傳統(tǒng)水文”向“現(xiàn)代水文”的轉(zhuǎn)型期,測驗方法和測驗手段正在逐漸由人工向智能轉(zhuǎn)變,水位、雨量、地下水位（溫）已完全實現(xiàn)遙測遙報,遙測數(shù)據(jù)可直接入庫進(jìn)行資料整編,河道流量自動測報還在積極探索中。本文以阜寧（射）水文站H-ADCP為研究對象,研究其在平原水網(wǎng)河道中的運用可行性。

1 概況

1.1 河道概況

射陽河是里下河地區(qū)重要的排澇河道,上游起自射陽湖蕩,經(jīng)整治后,由建湖縣收成莊至下游射陽河閘入海,河道全長161 km,積水面積4036 km2,主要水源為降雨徑流,其次是上游過境水及灌溉總渠自流灌區(qū)回歸水。河道蜿蜒,水流平緩,是里下河地區(qū)排水入海的天然河道,具有灌溉、供水、航運、排澇、防洪等功能。其與新洋港、黃沙港、斗龍港并稱為里下河“四大港”,其排水能力居“四大港”之首,為減輕里下河地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)揮著巨大作用。

1.2 測站基本情況

阜寧（射）水文站位于射陽河中游段,是里下河地區(qū)重要的國家水文監(jiān)測站和水情報汛站。該站始設(shè)于1921 年,1937 年停測,1950 年恢復(fù)測量,承擔(dān)著流域防洪和城市防洪的雙重職責(zé),每年為各級防汛部門提供實時雨水情報400 多份,為射陽河沿岸地區(qū)防汛防旱、水資源管理以及流域規(guī)劃和治理,提供了大量的基本水文信息。

阜寧（射）水文站為汛期流量站,每天8 時、14 時、20 時、2 時四段制測量,歷年來采用連實測過程線法推流。該站測流斷面處河口寬171 m,中泓處河底高程-6.3 m,歷史實測最大流量552 m3/s,最高水位2.52 m,最低水位-0.85 m。

鑒于阜寧（射）水文站的重要性和代表性,為加快推進(jìn)該站測報方式改革,實現(xiàn)在線實時監(jiān)測河道流速流量全過程,鹽城水文分局在2019 年汛前完成了該站H-ADCP棧橋建設(shè)及儀器安裝調(diào)試工作,同期即開展流量比測工作。

2 H-ADCP概況

2.1 測流平臺設(shè)計

為提高測流精度,保持測驗斷面的一致性,考慮河道斷面現(xiàn)狀及航道要求,兼顧儀器檢修等,測流平臺采用棧橋設(shè)計。棧橋設(shè)于纜道測流斷面上游5 m處,垂直于河道左岸建設(shè),寬1 m,長8 m,H-ADCP換能器置于其頂端水下。H-ADCP儀器測流斷面與纜道流速儀測流斷面形狀基本一致,且兩斷面間無支流和外水匯入,通過兩斷面流量視為相等。

2.2 儀器選用及工作流程

（1）測驗河段左右岸均為直立砼護岸,河口寬171 m,儀器選用美國RDI公司生產(chǎn)的ChannelMaster型600 kHz的H-ADCP。

（2）H-ADCP儀器安裝在起點距8 m（河道左岸石駁岸為起點距零點）、高程-0.75 m處（對應(yīng)河底高程-1.60 m）；設(shè)置的ADCP盲點距離1 m,單元間距1 m,測流河段大斷面圖及H-ADCP安裝位置示意圖見圖1。

圖1 阜寧（射）站測流河段大斷面圖及H-ADCP安裝位置示意圖

（3）H-ADCP主機探頭升降裝置以槽鋼立柱為支撐,采用雙軌道引導(dǎo)H-ADCP主機升降,確保主機始終保持定點、定位測量。實踐證明,雙軌道設(shè)計對H-ADCP主機起到很好的固定作用,在流速較大情況下,橫搖和縱搖的變化很小,能夠確保主機保持姿態(tài)穩(wěn)定。

（4）H-ADCP供電與通訊共用一根電纜,供電電源選為松下12 VAH蓄電池,80 W太陽能板配備直流充電器1 臺。

（5）工作流程：由H-ADCP采集流速、水位,探頭將測量結(jié)果通過電纜線傳輸?shù)焦た?工控機安裝軟件控制H-ADCP開啟及數(shù)據(jù)采集,同時將測量結(jié)果通過無線傳送模塊（DTU）傳送至中心控制計算機中；計算機根據(jù)H-ADCP代表流速與測流斷面平均流速相關(guān)關(guān)系計算出測流斷面相應(yīng)流量,從而實現(xiàn)對流量的自動監(jiān)測。

3 比測成果分析

3.1 測驗情況

2019 年5 月～2020 年8 月進(jìn)行H-ADCP與纜道流速儀法同步流量測驗,測驗時根據(jù)水勢情況進(jìn)行測點分布控制,盡可能涵蓋高、中、低水位,大、中、小流量（速）等。

（1）H-ADCP主要技術(shù)指標(biāo)：H-ADCP頻率600 kHz,最大流速≤5 m/s,頻次間隔5 min；平均時段100 s；單元數(shù)128；單元尺寸100 cm；盲點距離1 m。

（2）選擇單元流速的范圍：由于河道斷面較寬,經(jīng)研究分析選用32 m（第24 單元）～ 68 m（第60 單元）區(qū)間作為代表流速計算的單元流速范圍。

（3）流速儀法：常規(guī)流速儀測流采用常測法,常測法時全斷面布設(shè)8 條垂線,每條垂線均測相對水深0.2、0.8 的測點流速。

3.2 比測結(jié)果

3.2.1 關(guān)系線定線精度

依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）流速相關(guān)定線精度指標(biāo)第3.3.3 條內(nèi)容,按照三類精度水文站定線精度指標(biāo),隨機不確定度為20%,系統(tǒng)誤差為±3%進(jìn)行關(guān)系線定線精度控制。

3.2.2 比測結(jié)果

本次比測共有36 個測次,采用各個測次數(shù)據(jù)建立代表流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系,測驗成果見表1；建立的H-ADCP斷面代表流速Vcp與流速儀法測流斷面平均流速V關(guān)系公式為V=0.914×Vcp,關(guān)系圖見圖2。

圖2 阜寧（射）站Vcp-V關(guān)系線圖

表1 代表流速Vcp與斷面平均流速V定線精度計算表

3.2.3 關(guān)系線檢驗

對所建Vcp-V關(guān)系線進(jìn)行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗,檢驗結(jié)果均合格。檢驗過程見表2。另從表1可以看出,系統(tǒng)平均誤差為0.06%,低于規(guī)范±2的要求；另相對誤差不大于10%的的合格率達(dá)到80.6%,其定線精度較高。

表2 流速相關(guān)關(guān)系線定線精度和三項檢驗統(tǒng)計表

4 結(jié)論

（1）本文對阜寧（射）水文站2019 年5 月6 日～2020 年8 月13 日期間,通過H-ADCP與纜道流速儀法測量的36 個測次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,H-ADCP代表流速與斷面平均流速相關(guān)線定線精度較高,滿足水文整編規(guī)范要求。

（2）H-ADCP測流技術(shù)目前仍有其局限性,如遇行船會受船行波影響,遇汛期行洪時,易受上游水草干擾,特別是小流速情況下,受干擾程度尤為明顯。實際運用中應(yīng)根據(jù)實際情況,重點研究如何對異常值進(jìn)行篩選處理。

（3）H-ADCP測流數(shù)據(jù)需通過流速儀法或其它方式進(jìn)行比測、驗證,從測流斷面設(shè)置、探頭深度、代表單元選取等方面需不斷嘗試,從而提高其精度,更好地應(yīng)用于流量測驗。

（4）總體來說,H-ADCP作為一種先進(jìn)的測流設(shè)備,其測驗精度高,方便快捷,在實現(xiàn)流量自動測報上可操作性強,具有可行性,能有效解決傳統(tǒng)測驗?zāi)Ｊ街泻芏嚯y測的實際問題,對測站水文測驗方式方法改革具有實際的意義,運用前景廣闊。