H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜河勢中的應(yīng)用

黃國新，上官暉，熊忠文

(1.贛江上游水文水資源監(jiān)測中心，江西 贛州 341000；2.信江饒河水文水資源監(jiān)測中心，江西 上饒 334000；3.鄱陽湖水文水資源監(jiān)測中心，南昌 330000)

1 概述

近年來，受水利工程建設(shè)影響，部分河段的水文站變成庫區(qū)型或壩下型水文站，河流的水文情勢發(fā)生很大改變，原有較為穩(wěn)定的水位流量關(guān)系遭到破壞，要滿足逐日平均流量、年流量特征值的推求，流量測次需急劇增多，工作成本急劇加大，且測驗(yàn)精度也有所下降，給水文測驗(yàn)現(xiàn)代化、科技化、智能化工作提出了新的要求和挑戰(zhàn)。另一方面，對于漲落急劇的河流，高洪條件下?lián)寽y時機(jī)難以把握、測驗(yàn)難度大、安全風(fēng)險高、測驗(yàn)效率低。針對上述兩種條件下的河流測驗(yàn)工作，傳統(tǒng)方法是采用固守斷面，年復(fù)一年的進(jìn)行施測，任務(wù)重，困難大，工作效率低[1]。在受暴雨洪水影響，搶測洪峰流量時，還面臨人員配置不足和生產(chǎn)安全隱患?？傮w而言，針對這些復(fù)雜情勢下的河流，采用傳統(tǒng)的水文測驗(yàn)方法測驗(yàn)難度大、精度差、成本高。因此，探求復(fù)雜環(huán)境下流量測驗(yàn)新方法是十分有必要的，而流量自動化測驗(yàn)方法的快速發(fā)展提供了很多新的選擇[2]。

H-ADCP，即哨兵式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是一種高效率、高精度的流量測驗(yàn)儀器，配套數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、供電模塊等組成H-ADCP監(jiān)測系統(tǒng)后可以用于監(jiān)測水位、流速、流量的實(shí)時變化，是一種可用于復(fù)雜環(huán)境下的水文站流量測驗(yàn)新方法[3-4]，在國內(nèi)很多河流環(huán)境中獲得成功廣泛應(yīng)用及討論[2,5-9]。本文以渡峰坑水文站、崗前水文站、虎山水文站的 H-ADCP實(shí)際應(yīng)用為例，分析H-ADCP監(jiān)測系統(tǒng)在江西復(fù)雜河勢中的應(yīng)用，探索H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)在江西的應(yīng)用前景。

2 測站概況

2.1 渡峰坑水文站

渡峰坑水文站系饒河西支昌江控制站，是國家重要水文站，測站集水面積為5 013 km2(昌江流域面積為6 260 km2)，屬流量一類精度水文站。除擔(dān)負(fù)基本水文資料收集外，主要承擔(dān)景德鎮(zhèn)城市防洪、水環(huán)境監(jiān)測、水情信息服務(wù)。該站流量測驗(yàn)采用纜道流速儀法，平水期3 d 1次，漲水期按過程布點(diǎn)，每年流量測次高達(dá)200次左右。1987年7月，渡峰坑水文站下游12 km處的昌江水利樞紐鲇魚山節(jié)制閘建成使用后，除幾次漲水過程外，全年中低水水流受嚴(yán)重的頂托影響，屬于受水利工程影響的水文站，為了能夠掌握流速實(shí)時變化，實(shí)現(xiàn)流量測驗(yàn)任務(wù)的自動化及智能化，該站于2014年2月引入了 H-ADCP測流系統(tǒng)，站點(diǎn)測流斷面及在線ADCP安裝斷面如圖1所示。

圖1 渡峰坑站大斷面示意

2.2 崗前水文站

崗前水文站系贛江支流清豐水控制站，是國家基本水文站，測站集水面積為2 313 km2，屬流量二類精度水文站?；舅邤嗝嫔嫌?14 m處有1座公路橋，橋長166 m，橋拱7個，下游680 m處有1座崗前大渡槽，長170 m，支撐孔18個，940 m處本河與撫河西總干交匯，交匯口上游500 m撫河西總干有一滾水壩，水壩的建設(shè)對河流監(jiān)測斷面的流態(tài)產(chǎn)生影響，增加了測流的難度，屬于受水利工程影響的水位站，該站于2018年11月引入了H-ADCP測流系統(tǒng)，以便實(shí)時掌握流速變化情況，站點(diǎn)的斷面如圖2所示。

圖2 崗前水文站大斷面示意

2.3 虎山水文站

虎山水文站系饒河干流樂安河控制站，是國家重要水文站，測站集水面積為6 374 km2，屬流量一類精度水文站。測驗(yàn)河段順直，長約300 m，上游約200 m處有一大彎道，下游1 500 m處有急灘，下游700 m處有一深潭, 深潭上游有一石嘴伸入河心，附近有一沙洲，對本站低水起控制作用。左岸有一大沙洲，且逐年增高并向下延伸,水位低于23.50 m時有回流，靠岸邊有死水區(qū)，當(dāng)水位大于27.00 m時，左岸漫灘寬度為270 m，虎山站水位流量關(guān)系受洪水漲落影響，具有暴漲暴落山區(qū)河流特性[10]，屬于暴漲暴落的水位站。該站流量測驗(yàn)采用走航式ADCP法、纜道流速儀法，漲水期按過程布點(diǎn)，至少需要3人協(xié)作才能完成。為了減輕站點(diǎn)的測流工作量，降低流量測驗(yàn)安全隱患，進(jìn)一步完善升級站點(diǎn)的測流技術(shù)，該站于2016年12月引入了H-ADCP測流系統(tǒng)，站點(diǎn)斷面如圖3所示。

圖3 虎山大斷面示意

3 H-ADCP工作原理介紹

3.1 ADCP測量原理

ADCP測量原理為聲學(xué)多普勒效應(yīng)，是根據(jù)聲波頻率在聲源移向觀察者時變高， 而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時變低的多普勒頻移原理測量水體流速的，每個換能器既是發(fā)射器又是接收器。每個換能器均可發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波。假定水體中顆粒物與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的移動方向是接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率高，當(dāng)顆粒物的移動方向是背離換能器時，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——聲學(xué)多普勒頻移，kHz;

fδ——回波頻率，kHz；

v——顆粒物沿聲束方向的移動速度，m/s；

c——聲波在水中的傳播速度，m/s。

3.2 H-ADCP監(jiān)測系統(tǒng)工作方式

H-ADCP是采用指標(biāo)流速法進(jìn)行水道斷面流量監(jiān)測的，指標(biāo)流速法是由局部流速( 如單點(diǎn)流速、垂線平均流速或水平區(qū)間代表流速等) 推算斷面平均流速。為了得到斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系，需測出不同水位下的流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，即可以得到它們的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系線的獲取通過比測率定過程確定。

3.3 H-ADCP監(jiān)測系統(tǒng)安裝方式

H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)以ADCP流量傳感器為核心，配合數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時在線采集及傳輸，岸基流量監(jiān)測平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、可視化及導(dǎo)出符合《水文資料整編規(guī)范》的流量報表。

按照水文相關(guān)規(guī)范要求，H-ADCP安裝的測流斷面的基本要求有順直，無岔流，紊流，河床穩(wěn)定，水流集中，相對穩(wěn)定，遠(yuǎn)離水工建筑，距離水工建筑的距離至少為洪水期河寬的3～5倍。3個站點(diǎn)安裝的H-ADCP傳感器波束角參數(shù)為1.5°，能提供的縱橫比為1∶40，因此設(shè)備正常工作需要一定的水深要求，且波束掃射斷面不能有障礙物阻擋。通過現(xiàn)場條件勘測，崗前水文站及虎山水文站測流斷面滿足安裝斷面要求，兩個站點(diǎn)的H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)均安裝在測流斷面，而渡峰坑水文站由于流速儀斷面不具備安裝條件，經(jīng)過勘測安裝于下游285 m的碼頭斷面，以獲取更好的測流數(shù)據(jù)，經(jīng)過評估，3個站點(diǎn)均適用于固定，因此3個站點(diǎn)均采取固定式打樁安裝的方式[11-12]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

4.1 總體運(yùn)行情況

自安裝運(yùn)行以來，3站點(diǎn)除在試運(yùn)行時期存在不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)丟失的情況外，在正常運(yùn)行階段，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，運(yùn)行情況良好。根據(jù)3站點(diǎn)多年的運(yùn)行過程遇到的狀況，在本區(qū)域的H-ADCP系統(tǒng)的建設(shè)及穩(wěn)定運(yùn)行需要考慮兩方面的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

1) 考慮惡劣環(huán)境如雷擊、洪水的影響。儀器套管保護(hù)且接地，有效地避開雷擊，在其他惡劣天氣情況下儀器能夠正常運(yùn)行。安裝支架設(shè)計(jì)合理，在漂浮物較多，河流含沙量較大，流速比較大，設(shè)備擺動幅度小，抵抗洪水的沖擊并且滿足洪水監(jiān)測的需求。

2) 選用穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，保證運(yùn)行期間數(shù)據(jù)不會丟失或者中斷，過程線較為平滑，趨勢較平穩(wěn)。

從3個站點(diǎn)的率定情況可知，H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)在受水利工程影響的渡峰坑和崗前水文站，在暴漲暴落的虎山水文站均可以建立良好的、通過三線檢定的率定相關(guān)關(guān)系線，H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)在此類斷面均可以得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的實(shí)時在線自動化、智能化。

4.2 渡峰坑水文站

站點(diǎn)率定分析資料的時間段選取2014年、2016年、2017年采集的共178份數(shù)據(jù)(2015年因儀器故障時間過長且包括了主汛期，不作率定分析)，由于受到下游魚山閘影響，本站點(diǎn)低水時期水位與流速關(guān)系紊亂，且關(guān)閘期間會影響在線ADCP與流速儀的測流關(guān)系，因此，率定選用了采用纜道流速儀斷面與ADCP斷面且流速0.3 m/s以上共59份數(shù)據(jù)作為率定數(shù)據(jù)。在此期間，渡峰坑站發(fā)生了3次超警戒洪水過程，最高水位為33.89 m(2016年)，最低水位為22.99 m(2017年)，占?xì)v年水位變幅81.1%。其中本站流速儀測流斷面與H-ADCP測流斷面間判斷同一時間流量相等，根據(jù)此原理建立兩斷面之間流量相關(guān)關(guān)系，確定的關(guān)系線公式為Q轉(zhuǎn)子流速儀=0.763QADCP，相關(guān)系數(shù)為0.99，符合三線檢定要求且定線關(guān)系良好[12]。

1) 流量過程合理性驗(yàn)證

從圖4可以看出，受人工測驗(yàn)布點(diǎn)時機(jī)影響，實(shí)測流量與H-ADCP率定后流量過程趨勢局部不一致。將渡峰坑站上游樟樹坑、深渡兩站整編流量合成，點(diǎn)繪到過程圖上，合成流量過程與H-ADCP率定后流量過程趨勢基本一致，說明H-ADCP在線監(jiān)測數(shù)據(jù)能反映完整真實(shí)的流量變化過程。

圖4 渡峰坑水文站流量過程合理性驗(yàn)證示意

2) 次洪流量過程驗(yàn)證

從圖5可以看出，經(jīng)對纜道流速儀法與H-ADCP法2014年、2016年、2017年最高洪水過程次洪總量進(jìn)行誤差計(jì)算，2014年、2016年誤差為3.4%，2017年誤差為-1.1%，規(guī)范允許誤差為±3%。造成次洪總量誤差比允許誤差略偏大的主要原因是受水利工程影響，纜道流速儀法測次布設(shè)不夠及人工測驗(yàn)誤差，無法完全控制流量變化過程。

圖5 渡峰坑站20170623-0626洪水流量過程線對照示意

從本站應(yīng)用分析，H-ADCP適合于受水利工程影響的斷面流量在線實(shí)時監(jiān)測，能消除測次布設(shè)不夠及人工測驗(yàn)誤差，控制完整的流量變換過程，在安裝前期需要考慮水利工程對流速關(guān)系的影響，且率定過后定期進(jìn)行合理性驗(yàn)證分析。

4.3 崗前水文站

站點(diǎn)率定分析資料的時間段為2018年12月27日—2019年7月，共收集了64份纜道流速儀數(shù)據(jù)資料，實(shí)測流速變幅為0.18～1.04 m/s，水位變幅為19.56～23.94 mm。由于流量隨水位變化大，加上水利工程的影響，站點(diǎn)根據(jù)水位分段建立2條相關(guān)關(guān)系線。當(dāng)水位大于19.48 m時，Q斷面=0.9411×Q代表+4.75；當(dāng)代表流量大于等于404 m3/s時，Q斷面=0.4774×Q代表+192.06，率定關(guān)系線通過三線檢定要求[11]。

經(jīng)過率定后，選取低水位及中水位期間的水位、常規(guī)纜道流速儀法與H-ADCP流量在線監(jiān)測系統(tǒng)利用率定關(guān)系公式所計(jì)算的流量進(jìn)行對比驗(yàn)證分析，所計(jì)算的逐時流量過程線同常規(guī)纜道流速儀測量流量變化幾乎重合，同時和水位變化過程相呼應(yīng)，沒有出現(xiàn)跳動現(xiàn)象，符合水流的一般變化規(guī)律，可以確定指標(biāo)流速推流成果的合理，H-ADCP系統(tǒng)在崗前水文站能作為日常流量測驗(yàn)的方式。

4.4 虎山水文站

站點(diǎn)率定分析資料的時間段為2019年1月2日—7月19日，實(shí)測數(shù)據(jù)118組，由于水位變化，走航ADCP每次比測斷面不固定，本站點(diǎn)采用流量數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系線。2019年最高水位為29.78 m，最低水位為18.24 m，占?xì)v年水位變幅89.2%。在分析過程中，由于虎山水文站屬于暴漲暴落河道，水位流量關(guān)系受水位漲落影響太大，在對采集的率定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，根據(jù)水位分段建立關(guān)系線，具體分為低于 19.5 m，19.5～22.5 m和高于22.5 m 3段，具體經(jīng)過三線檢定的率定關(guān)系結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 虎山水文站水位19.5～22.5 m間流量率定相關(guān)關(guān)系線示意

圖7 虎山水文站水位22.5 m以上流量率定相關(guān)關(guān)系線示意

1) 次洪總量、汛期總量驗(yàn)證

經(jīng)對2019年4次洪水過程次洪總量分析計(jì)算，實(shí)測整編與H-ADCP推求的次洪總量誤差最大的為2.9%，最小的為-0.4%，均在允許誤差±3%范圍內(nèi)；汛期總量誤差為0.5%，在允許誤差±2.5%范圍內(nèi)。

因此，H-ADCP適合于暴漲暴落的斷面流量在線實(shí)時監(jiān)測，不僅數(shù)據(jù)誤差滿足規(guī)范要求，而且能夠降低流量測驗(yàn)安全隱患，還可以騰出一定的人力開展巡測工作。針對水位變幅帶來的水位流量定線的問題，可以采用對水位進(jìn)行分段進(jìn)行獲取合理的率定關(guān)系線。

5 結(jié)語

H-ADCP是目前世界上先進(jìn)的測流儀器，是科學(xué)、高效、便捷的測驗(yàn)手段之一，不僅能適應(yīng)天然河道的水流條件，能夠獲得很好的應(yīng)用效果。在典型受水利工程影響的河段及暴漲暴落等流態(tài)復(fù)雜的河段亦有可以良好表現(xiàn)，獲取通過驗(yàn)證的率定關(guān)系線，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的實(shí)時在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)自動采集功能。

在復(fù)雜的河流斷面，為了一定程度上克服復(fù)雜的流場、流態(tài)進(jìn)行水文測驗(yàn)，站點(diǎn)的安裝方式、斷面的選擇需要進(jìn)行前期嚴(yán)格的驗(yàn)證，站點(diǎn)的率定比測數(shù)據(jù)需要多采集高中低水位的建立率定關(guān)系，對于流量隨水位變化大的斷面，一般需要考慮根據(jù)水位變化分段建立相應(yīng)的相關(guān)關(guān)系，獲得更好的流量成果。