HADCP在灃河流域上的應用

靳 君

（銅川水文水資源勘測中心,陜西 銅川 727100）

1 概況

1.1 測站基本情況

秦渡鎮(zhèn)（五）水文站為渭河南岸中等面積區(qū)域代表站,設立于1934年5月,屬國家基本水文站。位于陜西省高新區(qū)秦渡鎮(zhèn),主要為收集灃河流域基本水文資料,研究分析本流域產匯流規(guī)律,為開發(fā)利用灃河水資源、河道治理、防汛減災提供水文情信息和服務。2011年1月,該站安裝了HADCP流量自動監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 流域概況

灃河為渭河南岸較大支流,發(fā)源于西安市長安區(qū)喂子坪鄉(xiāng)雞窩子以上的秦嶺梁北側,于咸陽市灃東鄉(xiāng)邵家村流入渭河。河流全長81.9 km,流域面積1459.5 km2,秦渡鎮(zhèn)站斷面以上集水面積566 km2,距河口里程36 km。灃河主要支流有潏河、高冠峪河、太平峪河。調查最大洪峰流量1430 m3/s,發(fā)生時間為1957 年7 月16 日,實測最大流量808 m3/s,發(fā)生時間為2002年6月9日,實測最小流量0.00 m3/s,實測最大含沙量66.2 kg/m3。

1.3 測驗斷面情況

秦渡鎮(zhèn)（五）水文站測驗河段順直,兩岸均為人工河提,細沙河床,水流平緩,斷面沖淤變化小,河床比較穩(wěn)定?；舅邤嗝婕娓酥袛嗝婕傲魉賰x測流斷面,上下比降斷面兼浮標上下斷面,上下斷面間距200 m,基線設于河道左岸,長100 m?；?50 m處有座便橋,測驗斷面下游830 m處建有灃惠渠大壩,壩頂高程395.56 m,基下800 m處有潏河匯入,當潏河漲水時,基本斷面水流受洪水頂托影響。基本水尺斷面架設閉口式吊箱纜道1處,用于流量、泥沙測驗。

2 比測分析

2.1 比測分析目的和方法

通過對比分析,確定HADCP是否適用于秦渡鎮(zhèn)水文站的測驗環(huán)境以及驗證HADCP在替代傳統(tǒng)流速儀測流的可行性和優(yōu)越性,提升河道流量數(shù)據(jù)監(jiān)測手段,改變傳統(tǒng)測驗方法,提高測驗精度和效率,減輕職工常規(guī)測驗工作強度。

以HADCP施測的指標流速V指標與常規(guī)纜道所測流量計算出的斷面平均流速V平均建立相關關系,再根據(jù)相關關系計算出關系線上的查線流速V查線,即率定得到V查線=f（V指標）關系式。為使HADCP與常規(guī)纜道測流率定資料時間同步,指標流速選取與常規(guī)纜道測流平均時間最接近的HADCP所測的數(shù)據(jù)參與率定分析。

2.2 SL500型HADCP的原理

HADCP的測量原理是多普勒效應,即聲波發(fā)生器向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖,這些聲脈沖碰到水中的散射體（浮游生物,泥沙等）將發(fā)生散射,被散射體反射回的聲波就會被接收器接收到,當散射體有相對運動,其反射的聲波在頻率上有一定的變化（頻移）,這種效應叫做多普勒效應。在測量中聲波發(fā)生器向水中發(fā)射聲波頻率將會與聲源的發(fā)射頻率有差異,根據(jù)測量頻差,可計算得到水流的速度。HADCP測量的是水體中代表水體某層的平均流速（指標流速）,并非河道水體的平均流速。

式中：fd為聲學多普勒頻移,kHz；為回波頻率,kHz；ν為顆粒物沿聲束方向的移動速度,m/s；c為聲波在水中的傳播速度,m/s。

2.3 SL500型HADCP的安裝

2.3.1 SL500型HADCP組成與主要技術指標

1）HADCP組成

HADCP由水下（換能器）、水上（RTU）兩部分組成,兩者用電纜連接。水下部分包括測速、測深換能器。

2）主要技術指標

測速距離：120 m；水位測量范圍：18 m；水位準確度：±0.6 cm（＜6 m）,±0.1%（≥6 m）；測量時間間隔：可設置；通信：RS-232 和SDI-12 通訊協(xié)議；測速分辨力：0.1 cm；工作環(huán)境：-5℃～40℃；溫度測量準確度：±0.1℃；電源：12 V；功耗：0.7 W～1 W。

2.3.2 SL500型HADCP的適應條件

1）儀器安裝斷面需基本穩(wěn)定、順直,滿足儀器在固定位置能施測到各級水位時的流速。

2）儀器安裝的高度基本原則是水深的0.6 處,水深在儀器施測范圍內。

3）采樣單元要有較好代表性。通常河流的主槽最具有代表性,ViewArgonaut軟件多流層功能可以分析。在儀器測量范圍中選擇最合適的單元大小,采樣單元不應包含回水、紊流部分。

4）保證無障礙的通道。超聲波傳播路徑上障礙物會影響流速數(shù)據(jù),發(fā)射的超聲波是一個錐體,有一定的指向角,對測量河道的水深有一定的要求,SonTek探頭指向角1.4°,縱橫比1∶（20～40）。

2.3.3 SL500型HADCP的安裝

根據(jù)秦渡鎮(zhèn)水文站測驗河段現(xiàn)場實際,HADCP安裝在河道左岸基座上?；琼藕弯摻Y構。安裝時應使超聲波換能器水平,以保證聲束為水平發(fā)射。HADCP主機的安裝高程根據(jù)河道主流位置和斷面水深具體情況而定。連接電纜需安全牢固。HADCP安裝位置為基本斷面起點距15 m處,儀器安裝高程為394.20 m。安裝支架為2.50 m（高）×0.50 m（寬）×0.30 m（厚）的不銹鋼支架,固定在垂直插入到河床底部2根鋼管立柱上,通常露出水面0.5 m～0.7 m,儀器垂直嵌入不銹鋼支架內,儀器安裝水平,基本與流向垂直,儀器兩個聲學傳感器位于同一水平面上,保證波束為水平發(fā)射。儀器水平測速距離為45.0 m。由于HADCP主機與顯示部分為有線連接,為直流電源供電,考慮到儀器的維修,在不銹鋼支架內安裝了滑輪板,便于儀器上下移動和拆卸。防雷擊是儀器安裝時很重要的保護措施,顯示部分采用浪涌保護器,HADCP與顯示部分連接的電纜線外套金屬管或鋁塑管,并可靠屏蔽接地,其接地電阻應小于5Ω。

2.3.4 HADCP數(shù)據(jù)傳輸流程

HADCP為在線實時監(jiān)測儀器,可遠距離傳輸,采用公網,具體傳輸流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.3.5 SL500型HADCP的維護

①換能器面不能壓在硬物上,也不能長期受太陽光照射。

②當儀器水中取出時要清洗HADCP表面。

③每次插H-ADCP上的插頭時,需抹少許硅脂。

④插好H-ADCP上的插頭后,要鎖好鎖圈,而在拔下插頭前,一定要先松開鎖圈。即使H-ADCP不在水中,也可以讓它發(fā)射聲波脈沖,即在空氣中可以檢測ADCP,而不會有任何損壞。

3 HADCP比測率定分析

在HADCP采樣的同時,用常規(guī)纜道同步測速（測流）的方法進行對比分析。該站采用吊箱纜道與HADCP同步測速的方式進行比測率定。

3.1 HADCP采樣時段設置

非汛期（1 月～5 月,10 月～12 月）水位、斷面穩(wěn)定變化甚微,采樣時段設置為每18分鐘測速一次；汛期（6 月～10 月）水位、斷面變化頻繁、洪水時變化劇烈,采樣時段設置為每6 分鐘測速一次。

3.2 比測率定資料收集

2011 年1 月1 日開始進行比測率定工作,截至2013 年1 月共取得了35 次比測資料,其中32 次為流速儀法、3 次為ADV法。

選用2012年5月、9月兩次洪水過程觀測水位與HADCP同步水位作為水位抽樣進行水位比測分析。

4 HADCP水位、系數(shù)分析計算

4.1 比測資料分析

4.1.1 比測資料摘錄

共取得比測資料35 次,其中32 次為流速儀法、3 次為ADV法,常測法（0.6一點法）13次,占37%,多點法22 次,占63%。比測最大流量316 m3/s、最高水位396.76 m；最小流量1.88 m3/s、最低水位395.44 m,實測最大含沙量1.30 kg。

人工觀測水位與HADCP同步水位共摘錄179 次,最高水位396.68 m,最低水位395.52 m,水位變幅1.13 m。

4.1.2 比測資料合理性檢驗

流速儀測流結束后認真檢查各項記錄,輸入流量計算程序,點繪垂線流速分布圖,檢查其合理性,發(fā)現(xiàn)反?，F(xiàn)象,立即復測,嚴格執(zhí)行“四隨”工序。比測資料計算正確,符合斷面特性,精度較高,通過資料審查驗收。

4.1.3 比測資料系列

水文分析計算系列樣本最少為30個,分析系列為35次,滿足水文分析計算要求。

4.2 HADCP水位分析計算

HADCP水位指標為：水位變幅小于6 m,準確度控制在±0.6 cm,水位變幅大于等于6 m,準確度控制為0.1%。抽樣水位變幅1.13 m,準確度應按±0.6 cm,秦渡鎮(zhèn)（五）站水位觀測最小單位為1 cm,計算準確度為1 cm,經分析計算,179 次水位中,準確度小于等于1 cm的有47 次,準確率為26%。根據(jù)《水位觀測標準》（GBJ 138-90）第五章第二節(jié)規(guī)定,自記水位計比測不確定度不應超過3 cm,經過統(tǒng)計小于等于3 cm的有77 次,準確率為43%,水位比測值最大相差53 cm。

4.3 HADCP系數(shù)分析計算

4.3.1 均值法

選用33 次比測資料的斷面平均流速與HADCP指標流速,按K=Vd/Vadcp式分別計算各次系數(shù),取均值,得HADCP系數(shù)為0.96。式中,K為HADCP系數(shù)；Vd為斷面平均流速；Vadcp為HADCP斷面指標流速。

4.3.2 回歸方程法

選用33次比測資料,采用回歸方程法計算HADCP流速系數(shù)。得回歸方程為：y=0.93x,相關關系為0.99?；貧w方程見圖2。

圖2 秦渡鎮(zhèn)（五）站HADCP系數(shù)相關圖

4.3.3 相關曲線法

選用33次比測資料的斷面平均流速與HADCP指標流速,點繪斷面平均流速與HADCP指標流速關系曲線,HADCP系數(shù)為0.93。

4.3.4 HADCP系數(shù)確定

通過對秦渡鎮(zhèn)（五）站比測資料分析計算,采用均值法、相關曲線法和回歸方程法進行分析計算,均值法系數(shù)為0.96；相關曲線法系數(shù)為0.93；回歸方程法系數(shù)為0.93,三種分析方法結果相近,綜合三種分析計算結果,秦渡鎮(zhèn)（五）站HADCP系數(shù)選用三種方法平均值確定為0.94。

4.3.5 流量小于5.00 m3/sHADCP系數(shù)分析

秦渡鎮(zhèn)（五）站低水,即流量小于5.00 m3/s以下,受灃惠渠大壩影響,形成湖面,斷面水流流態(tài)復雜,時常出現(xiàn)回流現(xiàn)象。2013 年1 月23 日,采用ADV進行比測率定工作兩次,從比測資料分析發(fā)現(xiàn),ADV測流時段選用100 s,測流方法采用2 或3 點法,可以消除流速脈動現(xiàn)象,測點流速有負值現(xiàn)象,但測驗斷面有流量通過。HADCP指標流速為瞬時值,時正、時負,流速極不穩(wěn)定,無關系可尋,HADCP低水系數(shù)有待進一步率定。

4.4 系數(shù)分析檢驗評定

4.4.1 相關曲線的三項檢驗

通過對相關曲線進行三項檢驗,即符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值的合理性檢驗,相關曲線的標準差為6.5%,隨機不確定度為13.0%,系統(tǒng)誤差為1.0%,檢驗結果滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-1999）2.3-2.4要求。

4.4.2 HADCP流速系數(shù)的質量評定

對33次比測資料進行合理性檢驗,檢驗結果滿足規(guī)范要求。最大誤差18.8%,最小誤差0%,誤差小于10%,合格率為87.9%。

5 誤差分析

5.1 流速儀測流誤差

1）測量誤差。如起點距定位、流速儀定位、水深測量都存在一定誤差。

2）設施設備誤差。吊箱纜道上下、左右擺動對流速儀測速誤差,秒表計時誤差,流速儀檢定誤差等。

3）流向偏角誤差。

5.2 HADCP測流誤差

1）儀器本身系統(tǒng)誤差。聲學多普勒流速儀利用多普勒原理測量流速,所以儀器的流速準確性指標為1%。

2）儀器安裝造成的誤差。儀器應垂直于水流方向,Vx軸垂直于自然水流,Vy為0,做到Vy為0幾乎不可能。

3）水流、泥沙等因素影響。

6 結論與建議

1）SL500型HADCP采用聲學多普勒原理測量流速,運用網絡傳輸技術,實現(xiàn)河道水位,流量的實時在線監(jiān)測。秦渡鎮(zhèn)（五）站測驗斷面水流條件非常適合該儀器的使用,實現(xiàn)水位、流量在線監(jiān)測。

2）秦渡鎮(zhèn)（五）站采用吊箱纜道比測率定HADCP系數(shù),選用33 次比測率定資料,采用均值法、相關曲線法和回歸方程法分別計算HADCP系數(shù),HADCP系數(shù)為0.96、0.93、0.93,系數(shù)比較接近,綜合考慮,取其均值,秦渡鎮(zhèn)（五）站HADCP系數(shù)確定為0.94。通過誤差分析、質量評定,比測資料精度較高,系數(shù)分析合理。

3）秦渡鎮(zhèn)（五）站比測率定最大流量316 m3/s、最高水位396.76 m,比測率定最小流量1.84 m3/s、最低水位395.56 m。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》有關條款,系數(shù)應用幅度可延長30%,流量400 m3/s。故流量在5.00 m3/s～400 m3/s之間停止人工測流,采用HADCP監(jiān)測數(shù)據(jù)。