謝志鋒

摘 要：介紹定點(diǎn)側(cè)視式聲學(xué)多普勒流速儀H-ADCP在鑒江水系化州（城）水文站進(jìn)行流量監(jiān)測的應(yīng)用情況，通過與傳統(tǒng)流速儀法同步測流進(jìn)行比測，率定瞬時指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系，結(jié)果表明能滿足測驗(yàn)精度的要求，可以在鑒江流域推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：H-ADCP 在線流量監(jiān)測 比測率定 化州（城）水文站

化州（城）水文站為鑒江干流控制站，受上下游攔河壩開關(guān)閘影響，中低水時水位流量關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)流速儀測驗(yàn)方法難以控制流量變化過程，造成流量過程的推算存在著較多的人為因素和滯后性。鑒于水文自身發(fā)展的需要和社會對水文資料要求的提高，這種狀況已不能有效的適應(yīng)測站的發(fā)展和需要。為解決存在問題，化州（城）水文站引進(jìn)了美國SonTek公司“淘金者—SL”（Argonaut-SL）500kHz型側(cè)視式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，用于實(shí)時在線測流，比測各項(xiàng)精度指標(biāo)達(dá)規(guī)范和相關(guān)要求，解決了受水利工程影響的流量測驗(yàn)問題。

1.H-ADCP原理

H-ADCP發(fā)射超聲波沿著水平方向穿過水體（例如，河流、水道、港灣），可以測量流速、水位，和流量、總水量。根據(jù)用戶的需要，儀器固定在水面以下的某個部位進(jìn)行在線的實(shí)時監(jiān)測。

H-ADCP是采用了一種稱之為多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度。其測量原理是：如果一個聲源與接收聲波物體之間有相對運(yùn)動時，接收聲波物體所接收到的聲波頻率與聲源發(fā)射的聲波頻率之間有一個差異，即有一個多普勒的頻移。對于多普勒流速儀，可以用一個公式來表示這個頻移的關(guān)系：

v一顆粒物沿聲束方向的移動速度，m/s

c一聲波在水中的傳播速度，m/s

H-ADCP的聲波換能器位于同一平面，采用指標(biāo)流速法進(jìn)行水道斷面流量自動監(jiān)測。指標(biāo)流速法的本質(zhì)是由局部流速推算斷面平均流速。

2.應(yīng)用實(shí)例

2 . 1化州站概況

化州（城）水文站是二類精度的國家重點(diǎn)水文站，為探求鑒江與羅江匯合后的水文規(guī)律，并結(jié)合水情的需要而設(shè)，位于鑒江干流與其支流羅江交匯處下游約600m處，其下游約68米處有一座9孔公路大橋。

該站附近河段比較順直，流速儀測流斷面中泓附近河底高程（珠基下同）為2.5～3.5m之間，水面寬變幅為220～260m之間。根據(jù)化州（城）站1960～2013系列資料，實(shí)測最大流量為4850m3/s，出現(xiàn)于1976年9月23日，相應(yīng)水位15.76m，亦為實(shí)測最高洪水位；實(shí)測最小流量為1.30m3/s，出現(xiàn)于1960年4月14日；歷史實(shí)測最大斷面平均流速1.85m/s，最小斷面平均流速0.026m/s。

2 . 2儀器安裝及參數(shù)設(shè)置

儀器安裝采用直徑為110mm，厚度11mm，長4.9m（其中不銹鋼尖頭長0.4m）的不銹鋼管，傳感器安裝固定高程為6.43m，經(jīng)調(diào)試后確定儀器縱搖為0°，橫搖為-0.8°（儀器縱、橫搖角度要求不超過±2.0°），符合要求。

安裝完畢，將電源/通訊電纜線從水下傳感器引到自記臺，再與RS232電纜連到電腦，異地監(jiān)控均采用網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫適時讀取與指令控制。

根據(jù)測站斷面情況及河道水文特性，經(jīng)過不斷調(diào)試，對SL測流系統(tǒng)軟件的主要參數(shù)設(shè)置如下：

指標(biāo)流速的采樣單元：距H-ADCP探頭10m～80m；采樣歷時：300s；

采樣間隔：900s。增加多流層剖面模式：盲區(qū)：10m，流層：10個，每流層：7m。

3.率定分析

3. 1水位資料分析

水位以自記式水位計(jì)記錄為準(zhǔn)，本次水位比測結(jié)果顯示洪水期H-ADCP記錄的水位誤差較大，主要原因在于H-A DCP并無靜水裝置，而河道內(nèi)漂浮物、涌浪、水情漲落變化較快等因素都會影響波束水位。故進(jìn)行流量計(jì)算時采用測站的自記式水位計(jì)記錄的水位資料。

3.2流速資料分析

此次率定流量測驗(yàn)時間范圍為2013年1月16日至2014年3月10日，共89份測次比測資料，實(shí)測斷面平均流速變幅為0.048m/s～1.44m/s，SL瞬時指標(biāo)流速變幅為0.035m/s～1.21m/s，水位變幅為7.74m～11.20m。經(jīng)人工定線（圖1）和誤差統(tǒng)計(jì)分析，定線精度指標(biāo)符合SL247—2012的要求（表1）。

3.3流量精度對比

3.3.1流量過程線合理性分析

選取2013年次大洪水5月10日洪水繪制兩條流量過程線對比，其中一條為測站臨時曲線法推求的流量過程（流量數(shù)據(jù)來自洪水水文要素摘錄表），另一條為H-ADCP實(shí)測流量過程線，兩條流量過程線吻合程度較高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)相對誤差≤±5%的合格率為74%，相對誤差≤±10%的合格率為100%。

3.3.2日、月平均流量統(tǒng)計(jì)分析

化州（城）水文站采用測站原定的臨時曲線法推算的日、月平均流量與H-ADCP后處理軟件推算的相應(yīng)平均流量進(jìn)行對比分析。統(tǒng)計(jì)計(jì)算了7個月的日平均流量對比分析顯示：日平均流量相差較大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：上、下游攔河壩開關(guān)閘對中、低水位的流量影響極大，即使增加測次，也很難通過人工定線來推算準(zhǔn)確的日平均流量，導(dǎo)致在中、低水時期的水位流量關(guān)系紊亂，定線推流誤差大，日平均流量計(jì)算存在誤差偏大情況。

月平均流量對比分析顯示：統(tǒng)計(jì)的7個月中6個月的月平均流量的相對誤差均在±5%范圍以內(nèi)，最小相對誤差為0.30%，最大相對誤差為7.88%。

4.結(jié)語

從本次成果來看：

（1）H-ADCP測流系統(tǒng)無疑是一種先進(jìn)的測流新設(shè)備，它具有安裝簡便，日常運(yùn)行成本低，維護(hù)少，快捷、實(shí)時、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并對不同水流，特別是化州（城）站受水利工程嚴(yán)重影響的河流，H-ADCP在線測流系統(tǒng)的投入應(yīng)用，將解決流量測驗(yàn)的難題；

（2）在各個流速級別，瞬時指標(biāo)流速～斷面平均流速關(guān)系通過各項(xiàng)檢驗(yàn)，精度高，測驗(yàn)成果令人滿意。

（3）H-ADCP的投入使用，將大大減輕化州（城）水文站測驗(yàn)的工作量，直接利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編，更是減少了資料二次輸入帶來的錯誤，提高整編質(zhì)量和工作效率。該儀器將為鑒江流域河區(qū)的水文預(yù)報和測驗(yàn)工作提供更為有效的技術(shù)手段，對加快粵西地區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)有著重要意義。endprint