H-ADCP 在巢湖水量自動監(jiān)測中的應(yīng)用

李 梅 ，胡家良

（1.巢湖管理局水環(huán)境保護管理中心，安徽 巢湖 238000；2.巢湖管理局河道和工程管理處，安徽 巢湖 238000）

1 概述

巢湖是我國五大淡水湖之一。長期以來特別是黨的十八大以來，中央高度重視巢湖綜合治理，從“九五”規(guī)劃開始，一直把巢湖列為全國“三河三湖”治理的重點。二十埠河為巢湖一級支流南淝河左岸的主要支流，河流長度32 km，流域面積144 km2，流經(jīng)合肥市新站區(qū)、瑤海區(qū)和肥東縣，是合肥市東部的一條重要季節(jié)性河流。二十埠河入南淝河匯合后入巢湖。

水量監(jiān)測是為了更好地了解河湖水資源情況，進行河湖污染物通量計算，幫助各級政府準(zhǔn)確研判水資源形勢，在水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度、河湖長制考核指標(biāo)分析等方面進行科學(xué)決策。

水量監(jiān)測方法主要包括兩種形式，即人工監(jiān)測和自動監(jiān)測。人工監(jiān)測主要是通過旋漿式（或旋杯式）流速儀采集測流斷面具有代表性的垂線某處的流速，并用測深儀等設(shè)備測量到當(dāng)前的水位，通過計算得出整個斷面的流量。通常利用水文纜道，或在橋上進行測量，測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但測量時間長，耗費人力物力[1]，易受人為因素影響，人工監(jiān)測頻率相對較低，測量的數(shù)據(jù)連續(xù)性較差。自動監(jiān)測是指在斷面上安裝水位、流速傳感器，自動獲取斷面流速、水位數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)終端機RTU 發(fā)送到監(jiān)測中心，計算得出流量，經(jīng)率定后的流量成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時、連續(xù)性好，可以長期用來監(jiān)測入湖、出湖水量[1]。

2 H-ADCP 測流原理

2.1 測流原理

H-ADCP 是水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀的簡稱。它具有高質(zhì)量、高分辨率的特點，是一種高質(zhì)量的河流在線監(jiān)測儀器，主要利用多普勒效應(yīng)原理進行流速測量。用聲波換能器作為傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號，經(jīng)測定多普勒頻移而測算出測線范圍內(nèi)若干點流速，采用相關(guān)方法計算測線平均流速[1]。

工作時兩個傳感器輪換發(fā)射聲波，準(zhǔn)確測量出該水層面從左到右不同距離上，兩個方向上數(shù)百個流速點數(shù)據(jù)。H-ADCP 測得數(shù)據(jù)通過RS422 或RS232信號線方式接入位于岸邊的流速流量積算儀表，依據(jù)設(shè)置好的采樣時間間隔和用戶命令采集若干組數(shù)據(jù)計算層平均流速，水位采用外接浮子式水位計的水位值。現(xiàn)場流速流量積算儀依據(jù)流速點數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、河道斷面、數(shù)據(jù)相關(guān)性流量模型計算出河道瞬時流量，從而實現(xiàn)斷面流量的在線自動監(jiān)測，并將所測的水位、流速、流量等水文參數(shù)通過RTU采集發(fā)送到數(shù)據(jù)中心[2]。

圖1 水平法測流示意

2.2 系統(tǒng)組成

二十埠河水量自動監(jiān)測站采用GRPS 無線遙測方式，由水下H-ADCP 測流單元將監(jiān)測的流量數(shù)據(jù)接入岸上流速流量積算儀，根據(jù)設(shè)定的運行參數(shù)計算出橫向剖面的平均流速，然后根據(jù)率定的模型計算出斷面平均流速，并根據(jù)采集的水位數(shù)據(jù)最終計算出斷面流量。遙測終端RTU 采集流速流量積算儀的橫向剖面平均流速、水位、斷面流量數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。二十埠河水量自動監(jiān)測站主要由水平式ADCP、氣泡水位計、數(shù)據(jù)采集RTU、4G 通訊模塊、一體化立桿、機箱、電源系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等部分組成。水量自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水量自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 二十埠河水量監(jiān)測

3.1 測流斷面布置

按照河湖長制考核驗收要求，巢湖流域在環(huán)湖一級支流、二級支流共26 條河流設(shè)置了43 個考核斷面，其中國控監(jiān)測斷面14 個、省控9 個、市控20個。二十埠考核斷面為市控考核斷面。斷面處河道寬度約60 m，無灘地，河底高程約5.5 m，左右岸堤頂高程約13.2 m。建有水質(zhì)自動監(jiān)測站點。為實現(xiàn)水質(zhì)、水量的同步監(jiān)測，二十埠河水量自動監(jiān)測站站址在滿足自身建站要求時，盡量靠近水質(zhì)自動監(jiān)測站附近。右岸水質(zhì)自動監(jiān)測站棧橋長5.8 m，橋面高程8.5 m，棧橋迎水面外側(cè)鋼管底部高程6.5 m?？紤]斷面較小、河道順直、斷面穩(wěn)定，無明顯回流和阻水，無分叉等特點，具備H-ADCP 安裝條件，可采用H-ADCP 測流方式。根據(jù)枯水位和測流設(shè)備波束角（1.5°）開度要求，測流傳感器探頭最低安裝高程6.6 m，傳感器和立桿軌道垂直固定在現(xiàn)有棧橋外側(cè)鋼管[2]。

3.2 比測與率定

遙測終端RTU 采集的數(shù)據(jù)，必須有水文專職測驗技術(shù)人員按照流速儀法或走航式ADCP 比測技術(shù)要求，依據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179—2015）或《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》（SL 337—2006）的規(guī)定，在不同水位條件下進行對比觀測建模和驗證，達(dá)到規(guī)定的測流精度并提供對比率定后，方可正式使用。

H-ADCP 流量自動監(jiān)測系統(tǒng)利用H-ADCP 測量某一測層一定范圍內(nèi)橫向剖面平均流速，然后根據(jù)已建立的水位～斷面面積（Z～A）及斷面平均流速～H-ADCP 橫向剖面平均流速（Vcp～VADCP）關(guān)系計算出斷面流量。因此，分析和建立 Z～A 及 Vcp～VADCP關(guān)系是建立自動監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。

二十埠河水量自動監(jiān)測站建成后，自2020 年1 月至2021 年9 月間，二十埠河水量自動監(jiān)測站共收集58 組有效的比測數(shù)據(jù)。各次人工測量數(shù)據(jù)及ADCP 流速數(shù)據(jù)見表2。

由表2 可知，本站點ADCP 流速0.4 m/s 以下的數(shù)據(jù)較為集中，水位多在10 m 以下，而流速大于0.5 m/s 的數(shù)據(jù)較為集中，水位多在10 m 以上。這些大而較集中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在2020 年巢湖流域6 月到7 月份梅雨期間。2020 年7 月巢湖流域發(fā)生了超歷史洪水，19 日忠廟站水位達(dá)12.80 m，22 日忠廟站水位漲至歷史極值13.43 m。期間二十埠河水位也超高不下，7 月22 日至8 月1 日間水位超13 m。

表2 二十埠河各次人工測量數(shù)據(jù)及ADCP 流速數(shù)據(jù)

由于二十埠河水量自動監(jiān)測站目前尚在初步應(yīng)用階段，現(xiàn)階段收集的比測數(shù)據(jù)較少，監(jiān)測數(shù)據(jù)系列性較差，分析對比性不夠。雖然能夠確定關(guān)系線，但效果不甚理想，還需要繼續(xù)開展比測工作，收集更多有效的比測數(shù)據(jù)，進一步完善Vcp～VADCP關(guān)系的率定。

表2 中，部分時段流速儀出現(xiàn)負(fù)值。首先需人工排查ADCP 流速儀儀器故障，再分析出現(xiàn)河水倒流的原因是受風(fēng)力的影響，還是受下游施工圍堰影響等，然后結(jié)合實際情況審核該數(shù)據(jù)的合理性進行修正。

按照不同流速，將58 組人工監(jiān)測數(shù)據(jù)分成0.4 m/s以下和0.4 m/s 以上兩部分，依照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）規(guī)定對58 組數(shù)據(jù)進行率定，得到的回歸方程分別為y=1.2769x2+0.1598x+ 0.0717（見圖3（a））和y=-0.8295x2+2.2225x-0.1906（見圖3（b）），回歸系數(shù)分別為R2=0.3535和R2=0.7223。率定關(guān)系曲線見圖3。

由圖3 可知，流速小于0.4 m/s 時點較為分散，相關(guān)系數(shù)小于0.4，而流速大于 0.4 m/s 時相關(guān)性相對較好。表明在流速較大時ADCP 測量數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)較為接近，而流速較小時ADCP 測量數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，ADCP 的測流精度較難保證，還需要收集更多有效的比測數(shù)據(jù)作進一步研究。

圖3 水量自動監(jiān)測站率定關(guān)系線

定線完成后，應(yīng)做符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，若三項檢驗不滿足規(guī)范要求，應(yīng)另選計算模型，重新定線。對關(guān)系線三項檢驗結(jié)果如表3所示。比測數(shù)據(jù)率定結(jié)果能夠確定關(guān)系線，效果較為理想。

表3 關(guān)系線檢驗參數(shù)表

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

二十埠河水量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)通過率定，實現(xiàn)了24 小時在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)接入數(shù)字巢湖平臺，各級管理人員可在平臺上查詢和使用歷史和實時數(shù)據(jù)。2020 年部分監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 二十埠河水量站部分監(jiān)測數(shù)據(jù)

河湖污染在水里，來源在岸上。對于水污染防治不僅要重視各入湖河口斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，也要重視各入湖河道污染負(fù)荷消減。水量監(jiān)測數(shù)據(jù)與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，可用于計算污染物通量，宏觀指導(dǎo)水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度，持續(xù)改善水環(huán)境質(zhì)量。運用上述率定成果計算的流量和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到河道污染物總量。二十埠河2020 年6 月至12 月河道污染物總量如表5 所示。

表5 二十埠河河道污染物總量

4 自動監(jiān)測設(shè)備的維護

由于水量自動監(jiān)測站均在野外、露天建站，需要根據(jù)天氣及測站實際情況，安排維護人員開展每月不少于1 次的巡檢維護。具體工作內(nèi)容包括水位校核，基礎(chǔ)設(shè)施的檢查、踏步，設(shè)備機箱、視頻監(jiān)控、棧橋、太陽能電池板外觀的檢查，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、蓄電池的電壓、太陽能電池板的充電電壓、RTU 的數(shù)據(jù)采集，各類數(shù)據(jù)的傳輸，ADCP信號傳輸水尺的清洗等。

5 結(jié)論

水量自動監(jiān)測技術(shù)，可實現(xiàn)24 小時水量在線監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)終端機RTU 發(fā)送到監(jiān)測中心，以及時、準(zhǔn)確地反應(yīng)出流量的變化，全面提升巢湖流域水資源監(jiān)測和管理自動化、科學(xué)化水平，增強流域現(xiàn)有功能區(qū)水質(zhì)、水量監(jiān)測的時效性、代表性和功能區(qū)達(dá)標(biāo)評價的科學(xué)性，為監(jiān)督水功能區(qū)達(dá)標(biāo)、入河污染物減排提供支持。水量自動監(jiān)測與水質(zhì)自動監(jiān)測相同步，能夠及時、準(zhǔn)確、全面地反映水體污染狀況，為水環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。