陳嘉翰

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢 430012)

0 引 言

螺山水文站是長(zhǎng)江中游干流的重要水文站，水位流量關(guān)系為繩套型，采用單值化布置測(cè)驗(yàn)。隨著沙洲和水情的演變，對(duì)水文監(jiān)測(cè)的要求越來(lái)越高，為了更便捷有效提供精度可靠的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，急需開展流量在線監(jiān)測(cè)的研究工作。但是目前針對(duì)水位年變幅大且為復(fù)式河床的大江水文站測(cè)驗(yàn)斷面，還未開展全面比測(cè)工作[1]，為推進(jìn)相關(guān)工作的穩(wěn)步開展，本文根據(jù)《流量在線監(jiān)測(cè)方法適應(yīng)性技術(shù)指南》[2]的要求，研究各種流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備在螺山水文站的應(yīng)用前景，為后期采納并開展比測(cè)推薦較優(yōu)的設(shè)備選型方案。

1 螺山水文站概況

螺山水文站始建于1952年，位于湖北省洪湖市境內(nèi)，是長(zhǎng)江荊江與洞庭湖出流匯合后的國(guó)家一類基本水文控制站，國(guó)家重要報(bào)汛站，控制流域面積1 294 911 km2。沙質(zhì)河床不穩(wěn)定呈W型，斷面沖淤變化較大，主泓位置歷年有所擺動(dòng)。目前主要流量測(cè)驗(yàn)儀器有走航式ADCP、流速儀等。

1.1 測(cè)驗(yàn)河段概況

螺山水文站測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約4 km，位于長(zhǎng)江中游重要礙航河段——界牌河段。測(cè)驗(yàn)斷面上距長(zhǎng)江與洞庭湖的匯合口30 km、上距楊林山和龍頭山天然卡口約10 km，下距南門洲約17 km(圖1～2)；測(cè)驗(yàn)斷面左岸上游140 m建有螺山電排站，最大排水量為200 m3/s，右岸上游350 m建有排灌站，在排灌站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面近岸區(qū)域水流有一定的影響。中低水時(shí)期，江心洲顯露，給測(cè)驗(yàn)工作加大了難度。

圖1 測(cè)驗(yàn)河段示意Fig.1 Map of test reach

圖2 測(cè)驗(yàn)斷面布置Fig.2 Layout of test section

1.2 測(cè)驗(yàn)斷面概況

1.2.1 測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀

按《水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)書》規(guī)定，螺山全年按水位-流量單值化方案布置測(cè)次，主要采用水文測(cè)輪搭載走航式ADCP施測(cè)(表1)。

表1 近年流量測(cè)次統(tǒng)計(jì)

螺山流量測(cè)驗(yàn)在單次成果精度和測(cè)次布置上存在的問(wèn)題如下：

(1) 在沙洲顯露時(shí)，右汊流速和水深相對(duì)主泓(左汊)明顯偏小，測(cè)驗(yàn)耗時(shí)較多；

(2) 測(cè)驗(yàn)斷面上游有楊林山和龍頭山天然卡口和沙洲攪流，測(cè)驗(yàn)難度增加；

(3) 左汊晝夜航道運(yùn)行，測(cè)驗(yàn)難度增加。

1.2.2 水沙特性分析

沙洲頂部高程年內(nèi)、年際均有沖淤變化，以2020年為例，在汛前水位26.47 m(4月2日)、汛后水位24.21 m(10月29日)以下時(shí)，江心洲就會(huì)顯露，且近年來(lái)1月份前后右汊過(guò)水流量明顯減小，整理 2020年全年實(shí)測(cè)流量左右汊占比，左汊流量與右汊流量比為4∶1左右。

整理2018～2020年螺山站實(shí)測(cè)最大流量見表2，分析可知左汊流量占比基本穩(wěn)定在80%，左右汊流量占比在年最大洪水過(guò)程時(shí)多年變化較小。

表2 實(shí)測(cè)最大流量左右汊占比統(tǒng)計(jì)

繪制2018～2020年的主汛期大斷面圖，對(duì)比分析可看出同水位下過(guò)水?dāng)嗝婷娣e逐年減小，淤積較為明顯，沙洲有逐年向右遷移的趨勢(shì)(圖3)。

圖3 大斷面圖Fig.3 Great profile

2 在線監(jiān)測(cè)方案分析

2.1 代表流速分析

螺山站2017～2020年水位在18.8 m以上，使用測(cè)船ADCP搭載走航式施測(cè)了208次流量，主流在左汊主泓的起點(diǎn)距425～775 m范圍內(nèi)擺動(dòng)。

選取大斷面起點(diǎn)距D=135，275，425，585 m垂線和135+275 m，135+275+425 m的垂線的組合建立的區(qū)域流量(大斷面起點(diǎn)距D=100～200 m，100～400 m區(qū)域)和全斷面流量進(jìn)行相關(guān)分析，得出起點(diǎn)距585 m的垂線和2組垂線組合建立的區(qū)域流量線性相關(guān)性好，近年來(lái)相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，符合流量在線監(jiān)測(cè)方法適應(yīng)性的可行性分析條件——具備代表垂線或代表性的區(qū)域流速(以2020年為例，見圖4～6)。

圖4 D=585 m部分流量與斷面流量相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation diagram between partial flow and section flow (D=585 m)

圖5 D=100～200 m區(qū)域流量與斷面流量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100～200 m)

圖6 D=100～400 m區(qū)域流量與斷面流量相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100～400 m)

2.2 關(guān)系曲線三線檢驗(yàn)

對(duì)2018～2020年代表線或區(qū)域流量與全斷面流量的相關(guān)關(guān)系按照《水文資料整編規(guī)范》有關(guān)公式進(jìn)行三線檢驗(yàn)計(jì)算，結(jié)果如下。

2.2.1 符號(hào)檢驗(yàn)

采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：u為統(tǒng)計(jì)量；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)；u1-α/2為標(biāo)準(zhǔn)值。若u

表3 代表垂線或區(qū)域相關(guān)關(guān)系符合檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(α=0.05)

2.2.2 適線檢驗(yàn)

采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：u為統(tǒng)計(jì)量；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)。若u

表4 代表垂線或區(qū)域相關(guān)關(guān)系適線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(α=0.05)

表4中僅2019年通過(guò)適線檢驗(yàn)，最可能的原因是螺山采用單值化方案布置測(cè)點(diǎn)，年最高洪水位之前測(cè)點(diǎn)主要布置在漲水面，汛后補(bǔ)級(jí)差、沙推測(cè)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)基本都在落水面上所致。

2.2.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

表5 代表垂線或區(qū)域相關(guān)關(guān)系偏離數(shù)值檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(α=0.05)

以上分析可知，2017～2020年選取的全年代表垂線流量(或區(qū)域流量)和全斷面流量建立的關(guān)系雖不是最優(yōu)，但也說(shuō)明左汊主泓部分與全斷面流量具有較為顯著的代表性。為此，本文接下來(lái)將分析其沙洲被淹沒(méi)后的中高水位部分，尋找部分代表區(qū)域與全斷面相關(guān)關(guān)系是否存在更優(yōu)的關(guān)系。

查閱圖3，在水位高于26 m期間沙洲處于淹沒(méi)狀態(tài)，隨即選取2020年相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其三線檢驗(yàn)結(jié)果如下：

(1) 符號(hào)檢驗(yàn)u=1.10<1.96，合格；

(2) 適線檢驗(yàn)u=3.74>1.64，不合格；

(3) 偏離數(shù)值檢驗(yàn)|t|=2.08>1.96，不合格。

即單獨(dú)采用沙洲淹沒(méi)后的流量建立的相關(guān)關(guān)系也未達(dá)到預(yù)期值。

綜上所述，選取的代表垂線D=585 m和100 m≤D≤400 m部分流量雖不是最優(yōu)解，但也能在一定置信水平上用于推算全斷面流量，適宜開展在線監(jiān)測(cè)技術(shù)布設(shè)方案的優(yōu)選工作。

2.3 在線監(jiān)測(cè)方案分析

根據(jù)上述分析可知，螺山流量測(cè)驗(yàn)斷面具有代表性區(qū)域的起點(diǎn)距范圍是100～400 m，左汊流量在全斷面流量中占比權(quán)重顯著，因此可考慮在左岸部署適用的流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)其代表區(qū)域流量，建立與全斷面的相關(guān)關(guān)系，用以提高流量監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)與預(yù)警水平，并指導(dǎo)常規(guī)測(cè)驗(yàn)布置。

參照長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局發(fā)布的《流量在線監(jiān)測(cè)方法適應(yīng)性技術(shù)指南》[2]，根據(jù)傳感器是否接觸水體，通?？梢詫⒘髁吭诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩個(gè)大類；按照測(cè)流原理又分為聲學(xué)法、雷達(dá)法、圖像法及水力學(xué)法等。各類非接觸式和接觸式水文自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備已在不同流域或站點(diǎn)中得到一定的應(yīng)用，本文對(duì)可部署在螺山流量測(cè)驗(yàn)斷面的設(shè)備可行性開展分析。

2.3.1 聲學(xué)法

聲學(xué)法可分為時(shí)差法和多普勒法，受螺山站測(cè)驗(yàn)環(huán)境影響，此次以超聲波時(shí)差法和固定式ADCP為例，進(jìn)行適應(yīng)性分析。

2.3.1.1 超聲波時(shí)差法

(1) 測(cè)驗(yàn)對(duì)象：可測(cè)量水平層平均流速，可多層布設(shè)。

(2) 測(cè)量范圍：2～200 m。

(3) 優(yōu)點(diǎn)：直接測(cè)得代表層平均流速。

(4) 布設(shè)難點(diǎn)：① 螺山斷面左岸為自然山地，中泓中低水部分有沙洲，右岸為堤防，且水位變幅通常在13 m以上，需要左右汊、低中高水多套部署，且沙洲部分儀器部署困難；② 左汊為主流且是主航道，加之上游臨近螺山電排站，儀器易受到干擾；③ 兩側(cè)安裝難以實(shí)現(xiàn)[3]。

2.3.1.2 固定式ADCP

固定式ADCP的測(cè)量范圍與優(yōu)點(diǎn)見表6，其布設(shè)難點(diǎn)：① 由于螺山斷面分汊，右汊淺水較難部署；② 左汊主泓位置在200 m以外、水平式ADCP受斷面寬度、水位變幅大的影響需要多級(jí)布置；③ 垂直式ADCP中泓附近受船只通航干擾影響較大。結(jié)合螺山站水沙特性及斷面實(shí)際情況分析，單一的一組ADCP無(wú)法滿足全水位級(jí)的測(cè)驗(yàn)需求，需要采用多儀器組合布設(shè)方式，如部署2個(gè)以上水平式ADCP加2個(gè)垂直式ADCP的方案，方能滿足螺山站流量在線監(jiān)測(cè)的精度要求，主泓或臨近主泓部署垂直式ADCP雖然代表線最佳，但因主流在左汊且又是主航道，很難保障儀器的安全采集，因而采用接觸法測(cè)驗(yàn)受當(dāng)?shù)丨h(huán)境的制約條件較多。

表6 固定式ADCP的測(cè)量范圍和優(yōu)點(diǎn)[4]

2.3.2 雷達(dá)法

雷達(dá)法常利用點(diǎn)雷達(dá)流速儀和雷達(dá)側(cè)掃(超高頻雷達(dá)、甚高頻雷達(dá))，其適應(yīng)性分析如下。

2.3.2.1 點(diǎn)雷達(dá)流速儀

(1) 測(cè)量對(duì)象：水面點(diǎn)流速。

(2) 測(cè)量范圍：?jiǎn)吸c(diǎn)。

(3) 優(yōu)點(diǎn)：① 不受水質(zhì)、漂浮物影響；② 機(jī)動(dòng)性高，可用于巡測(cè)。

(4) 布設(shè)難點(diǎn)：① 對(duì)惡劣測(cè)量條件敏感，② 需要水面存在強(qiáng)反射，③ 低流速測(cè)量誤差大。

根據(jù)該設(shè)備的特點(diǎn)，結(jié)合螺山站斷面實(shí)況分析，由于缺少橋梁、纜道等安裝條件[5-7]，目前不適用于螺山站使用。

2.3.2.2 側(cè)掃雷達(dá)(超高頻雷達(dá)、甚高頻雷達(dá))

(1) 測(cè)量對(duì)象：水面流速場(chǎng)。

(2) 測(cè)量范圍：30～500 m。

(3) 優(yōu)點(diǎn)：可獲得水面流速分布。

(4) 布設(shè)難點(diǎn)：① 需現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)標(biāo)定；② 單站布置效果不理想；③ 左岸斷面附近等待過(guò)船閘的船只和主航道通行船舶對(duì)連續(xù)測(cè)驗(yàn)存在干擾[8]。

根據(jù)設(shè)備以上特性，結(jié)合螺山站斷面實(shí)況分析，宜布設(shè)雙站。

2.3.3 圖像法

圖像法常見為圖像測(cè)速法[9-10]。

(1) 測(cè)量對(duì)象：水面成像測(cè)速(RSIV)或水面流速(視頻攝像)。

(2) 測(cè)量主要影響因素：依賴示蹤物的可見性，與偏振濾波方式有關(guān)。

(3) 優(yōu)點(diǎn)：① 時(shí)空分辨率高，② 測(cè)量范圍廣，③ 機(jī)動(dòng)性高。

(4) 布設(shè)難點(diǎn)：圖像測(cè)速法依賴于示蹤物的可見性且成像環(huán)境易受干擾，加之螺山右岸無(wú)制高點(diǎn)，左汊江面船只較多，圖像測(cè)速法部署條件較差。

3 結(jié) 論

依據(jù)螺山水文站2017～2020年實(shí)測(cè)流量成果，對(duì)其測(cè)站特性進(jìn)行了分析，建立了代表區(qū)域與全斷面流量的關(guān)系，得出起點(diǎn)距585 m垂線和起點(diǎn)距100～400 m范圍的代表流速與全斷面平均流速相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)大于0.9，可以作為在線監(jiān)測(cè)的代表流速垂線和代表流速區(qū)域，可在其范圍內(nèi)應(yīng)用本文2.3方案分析中提及的相關(guān)設(shè)備。布設(shè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器組合方式建議如下：

(1) 受水位變幅大、中低水位沙洲導(dǎo)致兩側(cè)安裝難實(shí)現(xiàn)、成本太高等因素制約，不推薦超聲波時(shí)差法[11]。

(2) 左汊主泓附近布設(shè)1臺(tái)垂直ADCP+1套水平式ADCP，但是主泓布設(shè)垂直ADCP特別容易受到通航影響，難以確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)，需要協(xié)調(diào)航道、海事等相關(guān)部門加強(qiáng)維護(hù)措施才能有效工作。

(3) 考慮水位年變幅達(dá)13 m，分水位級(jí)布設(shè)2～3級(jí)水平式ADCP或分設(shè)掃描式ADCP，受左岸避風(fēng)、等候過(guò)船閘的船舶的影響以及螺山泵站排水時(shí)對(duì)左岸流量的干擾等因素，本方式也難以確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)。

(4) 點(diǎn)雷達(dá)法、圖像法在本斷面缺乏應(yīng)用條件，也無(wú)大江大河的成果案例。

(5) 雙站式超高頻側(cè)掃雷達(dá)，目前在大江大河中成功應(yīng)用的案例不多，在仙桃水文站的精細(xì)比測(cè)尚在進(jìn)行中，中泓以外兩側(cè)表層流速的算法也正在探索中，從測(cè)速范圍大、儀器能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行方面看，解決了精度和算法的優(yōu)化后本方案具備使用條件。

綜上所述，在螺山斷面可采用垂直ADCP開展流量在線監(jiān)測(cè)；在解決了精度和算法的優(yōu)化后，也可采用雙站側(cè)掃雷達(dá)開展流量在線監(jiān)測(cè)。流量在線監(jiān)測(cè)可用于超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)，為洪水防御提供支撐。