黃 超

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊83000）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

烏魯木齊是新疆自治區(qū)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化中心，其地勢(shì)三面環(huán)山，山地面積占總面積50%以上，由東南向西北逐步降低。烏魯木齊河是烏市的“母親河”，主要補(bǔ)給形式為冰雪融水和降雨，因此洪水主要分為冰雪融水型和暴雨型，汛期一般為5～8月，多年平均徑流量1.12億m3，最大洪峰127m3/s。該河供應(yīng)了烏魯木齊市30%的城市用水，同時(shí)汛期占據(jù)洪峰總量的50%，因此加強(qiáng)烏魯木齊河上游河道流量監(jiān)控，對(duì)下游烏魯木齊市應(yīng)對(duì)暴雨洪災(zāi)、建設(shè)水利設(shè)施意義重大。

2 H-ADPC河道水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

H-ADCP（水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀）系統(tǒng)其原理是根據(jù)聲波頻率在移向觀察者和遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變高和變低，以此利用多普勒頻移原理測(cè)量水體流速。在適當(dāng)位置安扎裝換能器，其既能發(fā)射信號(hào)又能接收信號(hào)，每個(gè)換能器都有自己固定的信號(hào)頻率，避免相互干擾，然后信號(hào)在被水中顆粒物散（默認(rèn)與水速一致）射回后再被接收。每個(gè)換能器根據(jù)發(fā)出和接收信號(hào)的頻率變化計(jì)算出其差值，如式（1）［1］。

式中 Fd為聲學(xué)多普勒頻移 （kHz）；F為發(fā)射波頻率（kHz）；V為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度（m/s）；C為聲波在水中的傳播速度（m/s）。

H-ADCP采用“指標(biāo)流速法”對(duì)河流斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即由局部流速估算斷面平均流速。為使結(jié)果精確，一般需測(cè)出不同水位下流量和斷面面積。由于某些區(qū)域（岸邊、死水邊）等監(jiān)測(cè)盲區(qū)，本文采用計(jì)算法來(lái)估算區(qū)域的水速，流速系數(shù)如表1［2］。

表1 各類(lèi)岸邊流速系數(shù)參考值

3 H-ADPC河道水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 后峽水文站及H-ADPC系統(tǒng)安裝要點(diǎn)

3.1.1 后峽水文站概況

后峽水文站是烏魯木齊河的上游控制站，同時(shí)也是天山北坡徑流試驗(yàn)基地，集水面積381km2，河長(zhǎng)33.9km，該水文站測(cè)驗(yàn)河段順直，水流集中，斷面穩(wěn)定，可滿足高中低水位的水文測(cè)驗(yàn)要求，其斷面以上流域的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水文信息是否夠能準(zhǔn)確測(cè)量并傳遞，對(duì)于烏市防汛指揮有直接影響，因此其地理位置至關(guān)重要。但作為區(qū)域代表站，后峽水文站汛期降水豐富，山洪頻發(fā)，且交通不便，因此人工監(jiān)測(cè)流量難度大［3］。

3.1.2 H-ADPC系統(tǒng)安裝要點(diǎn)

3.1.2.1 H-ADCP儀技術(shù)參數(shù)

根據(jù)后峽水文站特點(diǎn)，烏魯木齊市水文局于2015年10月配備了美國(guó)SonTek公司SL500kHz型俯視式H-ADCP，具體技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 SL500kHz型俯視式H-ADCP技術(shù)參數(shù)

3.1.2.2 H-ADCP儀安裝要點(diǎn)

后峽水文站河道為山區(qū)性河道，河道斷面近似于“V型”，H-ADCP系統(tǒng)安裝時(shí)，其安裝位置斷面河床要求沖淤變化小，河道順直，主流穩(wěn)定，兩岸邊坡不可有崩塌危險(xiǎn)。為了能夠使儀器的光波束盡量覆蓋整個(gè)主流區(qū)域，設(shè)計(jì)在水中安設(shè)1根鍍鋅管樁，將H-ADCP儀探頭安設(shè)在管樁上如圖1［4］。

圖1 H-ADCP儀安裝位置

為保證測(cè)試儀器整體處于水平狀態(tài)，同時(shí)中心軸線與水流方向垂直，本項(xiàng)目調(diào)設(shè)儀器縱搖角度為-1.2°，橫搖角度為0.8°；為減少靠近岸邊的紊亂水流對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，將儀器盲區(qū)設(shè)置為2.5m，即波束的測(cè)量開(kāi)始距離為2.5m。同時(shí)由于波束在超過(guò)38m時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，則本項(xiàng)目將波束結(jié)束測(cè)量距離設(shè)定38m［5］。

3.2 后峽水文站H-ADCP系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)

3.2.1 H-ADCP系統(tǒng)精度

為驗(yàn)證H-ADCP系統(tǒng)的精度是否符合要求，后峽水文站將H-ADCP系統(tǒng)2017年統(tǒng)計(jì)結(jié)果與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，待驗(yàn)證合格后再將整套系統(tǒng)投入使用，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3。結(jié)果可知，H-ADCP系統(tǒng)測(cè)量偏差范圍保持在±8%以下，測(cè)量精度滿足使用要求。

表3 H-ADCP系統(tǒng)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：m3/s

3.2.2 H-ADCP系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

后峽水文站的H-ADCP系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2［6］。測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)得從傳輸?shù)浇K端僅需要數(shù)秒鐘便可完成。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、快捷、全天候、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 后峽水文站H-ADCP系統(tǒng)

本項(xiàng)目系統(tǒng)測(cè)量通過(guò)2018年全年使用考驗(yàn)未出現(xiàn)較大變化，汛期的時(shí)間和洪峰流量與2017年基本一致，由此可見(jiàn)，H-ADCP系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)完全可用于洪水災(zāi)害防治參考。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）烏魯木齊河后峽水文站通過(guò)引進(jìn)H-ADCP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了河道流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，應(yīng)用效果顯示良好。

（2）H-ADCP系統(tǒng)調(diào)試和安裝是核心工程，前期必須緊密結(jié)合人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正。否則會(huì)出現(xiàn)測(cè)量偏差。