TRDI（CM 600kHz）流量計在新河水文站中的應(yīng)用

朱彥方

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的河流流量測驗方式存在流量推求滯后、自動化程度不高等方面的問題，難以滿足社會對水資源監(jiān)控的要求。為進(jìn)一步解放和發(fā)展生產(chǎn)力，提高流量監(jiān)測的自動化程度和實時性，亟需探尋新的技術(shù)手段。

TRDI（CM 600kHz）水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（以下簡稱“H-ADCP”）是由美國TRDI公司生產(chǎn)的一種新型流量測量儀器，其工作原理是利用多普勒頻移原理測量水體分層水平段內(nèi)的平均流速（代表流速），通過建立相關(guān)函數(shù)關(guān)系來構(gòu)建代表流速與斷面平均流速的聯(lián)系[1]，再利用斷面平均流速推求流量。該儀器不僅具有占用內(nèi)存小、流速采集快、數(shù)據(jù)較精準(zhǔn)的特點(diǎn)，也具有維護(hù)少、快捷方便、實時抓取數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是針對非恒定流以及難以測量的低流速，亦能獲得較好的測驗結(jié)果[2]。

2019年6月將H-ADCP安裝于新河水文站用于袂花江河道的流量在線監(jiān)測，并進(jìn)行了后續(xù)比測和率定工作。儀器總體運(yùn)行情況良好，比測進(jìn)度符合預(yù)期，各項精度指標(biāo)達(dá)到了規(guī)范和相關(guān)規(guī)定要求，切實解決了新河水文站的流量測驗問題。該率定工作可為類似河流水情測驗提供一定的借鑒和參考。

1 測站及河流概況

新河水文站建于1958年5月，地處廣東省茂名市電白區(qū)霞洞鎮(zhèn)新河村，集水面積為649 km2，屬于二類精度水文站，常規(guī)觀測項目有水位、流量、蒸發(fā)量、降水、水質(zhì)。上游情況如下：約8.6km為潭儒水電站，6.5km處有黃嶺河從右岸匯入，80m處為公路大橋新河橋（11個橋墩）；下游情況如下：約2.3km為跨河鐵路橋，3.0km處和3.8km處分別有兩座滾水壩，4.0km處有共青河攔河壩，約6.5km處有龍記河從左岸匯入。新河水文站作為袂花江中游控制站和袂花江生態(tài)流量保證主要控制斷面，為國家長期收集袂花江的水文基礎(chǔ)信息、分析水文特性規(guī)律、河道演變等規(guī)律而設(shè)，在水旱災(zāi)害防御、供水安全、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)與保護(hù)、河道治理、水資源調(diào)配等方面發(fā)揮了重要作用。

袂花江又名沙瑯江，原屬鑒江一級支流，后因下游吳川市興建了博茂減洪工程，將袂花江出口改道。經(jīng)2014年全國第一次水利普查，認(rèn)定袂花江為獨(dú)立入海河流，不再屬于鑒江流域。袂花江發(fā)源于陽春市八甲鎮(zhèn)國營河尾山林場，向西南流經(jīng)茂名市電白區(qū)羅坑鎮(zhèn)、沙瑯鎮(zhèn)、霞洞鎮(zhèn)、茂南區(qū)袂花鎮(zhèn)、鰲頭鎮(zhèn)等地，在吳川市梅菉街道與小東江匯合，并于吳川市海濱街道博茂社區(qū)流入南海。全流域集雨面積2466km2，總落差999m，干流全長110km，平均坡降1.19‰，多年平均年降水量1785.0mm。其中茂名市境內(nèi)集雨面積2256 km2，河長86km。其主要支流有那霍水、大社河、華垌河、黃嶺河、觀珠河、郁頭鵝河、河林河、小東江等。袂花江上游為山區(qū)，最高峰鵝凰嶂海撥1337m，是我廣東省暴雨高區(qū)之一，中游為狹長的沃土階地，下游為沖積平原。

根據(jù)新河水文站1958～2020年資料統(tǒng)計，實測最大流量為2060m3/s，出現(xiàn)于1959年5月21日，相應(yīng)水位為24.78m；實測最高洪水位為24.78m，出現(xiàn)于1959年5月21日；實測最小流量為0.275m3/s，出現(xiàn)于1960年3月31日；實測最低水位為18.26m，出現(xiàn)于2005年12月2日；歷史調(diào)查最高洪水位為24.90m。新河水位站各級水位劃分如表1。

表1 新河水文站各級水位劃分（凍結(jié)基面以上）

2 測量原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 測量原理

H-ADCP是利用聲學(xué)多普勒原理測量水體流速，并根據(jù)所測流速來推求斷面流量。測量單元的長度和位置可由用戶根據(jù)需要自行設(shè)定。測量時，每個換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波（每個換能器既是發(fā)射器又是接收器），發(fā)射出的聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時變低，最后再把經(jīng)反射回的聲波進(jìn)行接收和數(shù)據(jù)整理?；夭l率與發(fā)射頻率之間有一定差值，該差值可由式（1）來確定。

式中：fd為聲學(xué)多普勒頻率，kHz；fδ為回波頻率，kHz；v為沿聲束方向顆粒物的移動速度，m/s；c為在水中聲波的傳播速度，m/s。

H-ADCP主要利用代表流速法來對河道斷面流量開展自動監(jiān)測工作。其原理是，通常把水平平均流速、垂線平均流速或點(diǎn)流速作為代表流速，再由局部代表流速來推求測量斷面的平均流速[3]。根據(jù)對實測采樣流速數(shù)據(jù)點(diǎn)繪相關(guān)圖或進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析（如利用最小二乘法），就能得出代表流速與測量斷面平均流速之間的關(guān)系曲線或回歸方程[4]。相關(guān)理論公式分述如下。

式中：vTRDI為代表流速，m/s；Q為所測河道的斷面過流量，m3/s；A為測量斷面的相應(yīng)過水面積，m2；v為測量斷面的平均流速，m/s。

2.2 技術(shù)參數(shù)

H-ADCP主要由主機(jī)、計算機(jī)、軟件和電纜及接口組成：（1）主機(jī)外殼（如圖1）為26.4cm（寬）×18.3cm（高）×19.3cm（厚）的實體，兩個水平聲學(xué)傳感器分布于正面，以對分層水體流速進(jìn)行測量和采集；一個垂直聲學(xué)傳感器布置于頂端，以對頂部水深進(jìn)行測量。主機(jī)內(nèi)置4MB內(nèi)存，可實現(xiàn)實時流量監(jiān)測，一般每600s輸出一個數(shù)據(jù)，總計可存儲數(shù)據(jù)20萬個。（2）計算機(jī)須配置Windows NT、Windows XP或Windows 2000系統(tǒng)。（3）Win_HADCP，PlanCV和Q-Monitor-H作為H-ADCP正常運(yùn)行和操作的軟件平臺，通常在Windows環(huán)境下運(yùn)行。該軟件可方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲、參數(shù)設(shè)定等工作，并實時將測驗采集到的數(shù)據(jù)輸出到計算機(jī)的顯示屏幕上，從而將流量、流速和水位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息及其變化歷程進(jìn)行實時反映。（4）H-ADCP通常執(zhí)行SDI-12通信協(xié)議，結(jié)合配備RS232串行口，利用攜帶特殊信號的傳輸電纜和計算機(jī)開展聯(lián)機(jī)工作。

圖1 H-ADCP主機(jī)外殼

H-ADCP流速測量范圍為±5m/s，分辨率可達(dá)0.1cm/s。其水平波束測量距離為90m，垂直波束測量距離為20m，精確度可達(dá)到±0.5cm （±0.2%）。儀器使用時，工作功耗為0.14W，待機(jī)功耗為0.00025W，輸入電源為10VDC～18VDC。

3 實際應(yīng)用

3.1 測驗斷面分析

新河水文站的測驗斷面位于袂花江上，斷面處河段較順直，河床坡降平緩，其左岸為沙土堤，右岸為漿砌石護(hù)坡，高水位有漫灘現(xiàn)象，灘地種植農(nóng)作物。河床為沙質(zhì)，易沖刷，主槽位于正中偏右岸。通過對2014～2020年的測驗斷面變化情況進(jìn)行分析（以多年平均水位19.68m計算斷面面積），發(fā)現(xiàn)斷面面積變幅微小（數(shù)據(jù)如表2），表明斷面整體較穩(wěn)定且在不同流量級別下的流速橫向分布與斷面的形狀基本吻合，說明在該斷面安裝H-ADCP所監(jiān)測的區(qū)間流速具有較佳的代表性和穩(wěn)定性。經(jīng)綜合分析，最終確定將儀器安裝在測驗斷面距右岸起點(diǎn)40 m、高程為17.20 m的位置，即在纜道站房同側(cè)。由于主流在右岸，儀器在低水位情況下亦可有效覆蓋主流位置，為測驗工作的開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

表2 2014～2020年新河水文站測驗斷面面積比較

3.2 儀器安裝調(diào)試

在河底鉆樁，通過嵌入式抱箍支架將傳感器安裝固定于高程17.20m處（安裝示意如圖2）。固定穩(wěn)定后，把水下傳感器通過傳輸電纜引到自記臺，然后再連接至RTU。異地監(jiān)控采用網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫實時讀取指令控制。經(jīng)調(diào)試后確定儀器縱搖為-0.04°，橫搖為-0.28°，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

圖2 H-ADCP安裝示意圖

4 率定成果分析

4.1 率定準(zhǔn)備工作

率定測驗期間，新河水文站上游站點(diǎn)2019年7月至2020年9月降水量為1571.0mm，其中2019年11月至2020年3月、7月降水量較少，其他各月均有較大的降水過程。新河站在2019年8月1日出現(xiàn)了率定期間最大洪水，洪峰水位為20.93m，洪峰流量為358m3/s，水位變幅為1.10m。該站比測期間水位變幅為1.73m，實測流量水位變幅1.31m。

為取得較好的率定成果，該文收集了2014—2020年共7年的汛前大斷面資料進(jìn)行分析，并收集了儀器安裝以來的水位資料成果。洪水過程選擇2020年8月20—22日的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行水位比測。率定流量測驗從2019年6月至2020年9月，共計82個測次。實測斷面平均流速為0.017m/s～0.64m/s，H-ADCP代表流速為-0.009m/s～0.67m/s，水位為19.20m～20.93m。

經(jīng)分析測流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新河水文站測驗斷面在個別時段的流速存在分層現(xiàn)象，流向為120°～300°為正流，流向為0°～120°和300°～360°為負(fù)流。以2020年4月17日的測量數(shù)據(jù)為例，水流分為三層，上層為正流，中間層為死水，底層為負(fù)流。由于在線探頭安裝位置在死水層與負(fù)流層附近，所以指標(biāo)流速為負(fù)值，而正負(fù)流疊加后總流量仍為正值。負(fù)流層的位置根據(jù)上下游水情形勢狀況變動，無法通過改變H-ADCP探頭的位置規(guī)避。

4.2 水位比測

以2020年8月20～22日的洪水水位數(shù)據(jù)作為率定期間的比測水位，把H-ADCP水位（垂直波速水位、壓力水位）與自記式水位開展聯(lián)合比對。平水過程采用2020年6月11～12日的水位，進(jìn)行水位比測分析。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知：相較于平水過程，洪水過程波束水位和壓力水位與自記水位誤差較小，但誤差時常超過規(guī)范允許范圍且誤差變化無規(guī)律，因此H-ADCP的數(shù)據(jù)整編仍使用測站水位臺的自記式水位計數(shù)據(jù)。

4.3 關(guān)系曲線的建立和檢驗

在率定測驗工作中，共計采集到了82個測次的實測斷面流量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的H-ADCP數(shù)據(jù)。結(jié)合實測數(shù)據(jù)，利用關(guān)系曲線將斷面平均流速與H-ADCP代表流速兩者之間建立關(guān)系如下：

式中：x為H-ADCP代表流速，m/s；y為斷面平均流速，m/s。

由于新河水文站流速較小，流速在0.1m/s以下的測次，只要趨勢良好可以不進(jìn)行關(guān)系檢驗，因此，該次采用流速在0.1m/s以上的36組數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系檢驗。結(jié)合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）相關(guān)技術(shù)要求，對上述關(guān)系曲線開展三種方法和精度分析檢驗。結(jié)果表明：隨機(jī)誤差為12.0%≤17%，標(biāo)準(zhǔn)差Se=6.0%，滿足規(guī)范規(guī)定的精度標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)誤差為-0.47%≤±3%（規(guī)范要求為±3%以內(nèi)），符合規(guī)范規(guī)定的精度標(biāo)準(zhǔn)。精度檢驗結(jié)果具體表現(xiàn)如下。（1）符號檢驗n=36（n為測點(diǎn)總數(shù)），K=17（K為正號個數(shù)），u=0.17＜1.15（u為符號檢驗的統(tǒng)計量），結(jié)果合理，通過符號檢驗；（2）偏離數(shù)值檢驗：n=36，平均相對偏離值ΔP=-0.47%，P的標(biāo)準(zhǔn)差S=5.93，ΔP的標(biāo)準(zhǔn)差Sp=0.99，統(tǒng)計量t=-0.48，|t|=0.48＜1.30，可認(rèn)為結(jié)果合理，通過偏離數(shù)值檢驗；（3）適線檢驗：n=36，變換符號“1”次數(shù)為22，不變換符號“0”次數(shù)為13，變換符號次數(shù)大于不變換符號次數(shù)，可免作適線檢驗。以上三種方法檢驗關(guān)系曲線，均滿足相關(guān)規(guī)范要求，可認(rèn)為定線合理。

4.4 流量精度對比分析

流量精度對比分析分為日平均流量對比、月平均流量對比、場次洪量對比、年徑流量對比。流量誤差對比為測站原定的水位后移法推算的流量與H-ADCP后處理軟件推算的流量進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示：（1）日平均流量對比選用了2020年1月～12月的流量資料，由于受上下游水利工程、測驗及定線推流誤差影響，低水時日平均流量誤差較大。（2）月平均流量的誤差相對日平均誤差而言相對變小，7月份誤差為 271.76%，日平均流速全部在0.10m/s以下，最大流速為0.043m/s，最小為0.006m/s，0.10m/s以下的流速未參加三線檢驗。（3）選取2020年4月5～8日、8月13～23日、9月6～11日的三場洪水繪制場次流量過程線，數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差為-8.77～1.54。場次洪量與年徑流量比較如表3。（4）通過比較日平均流量、月平均流量、場次洪量、年徑流量可知：日平均流量越大、考量時間越長則相對誤差越小，原因是上下游水利工程對中低水位期的流量影響極大，該站原有曲線定線推流也存在誤差，影響流量的準(zhǔn)確推算。（5）因上下游水情形勢狀況變動，不定時出現(xiàn)負(fù)流層，經(jīng)率定分析，在出現(xiàn)負(fù)流層時代表流速與斷面平均流速存在一定關(guān)系，但由于流速太小很容易造成誤差超限，整體上認(rèn)為CM 600kHz型水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀在新河水文站是適用的。

表3 場次洪量與2020年年徑流量比較

5 結(jié)論

該文引進(jìn)經(jīng)鑒定合格的TRDI（CM 600kHz）型水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，將其安裝于新河水文站用于在線測流，并開展了后續(xù)比測和率定工作。通過對率定成果進(jìn)行分析，表明流速～斷面平均流速關(guān)系通過了各項檢驗，其精度較高，各項精度指標(biāo)達(dá)到了相關(guān)規(guī)范要求，可切實解決新河水文站的流量測驗問題。率定工作可為類似河道水情實時監(jiān)測提供一定的借鑒。