吳燕梅，楊吉護(hù)

（賀州水文中心，廣西 賀州 542899）

1 測站概況

1.1 基本概況

信都水文站位于賀州市八步區(qū)信都鎮(zhèn)楊家村，集水面積6380 km2，屬于珠江流域西江水系賀江中游河段上的國家重要水文站和大河控制站，一類測驗(yàn)精度水文站。測驗(yàn)項(xiàng)目有降水、水位、蒸發(fā)、流量、岸溫等。測驗(yàn)河段順直，主流穩(wěn)定，基本斷面呈不規(guī)則U 形，兩岸較高，在水位54.96 m 以上時(shí)，左岸出現(xiàn)漫灘。河床由砂卵石組成，左岸為粘土，右岸為卵石護(hù)坡，靠右岸部分河床有水草生長，不易沖淤?；緮嗝嫔嫌? km有合面獅水電站，1974年建成，合面獅水庫有季調(diào)節(jié)功能，總庫容2.96億m3。合面獅電站的出庫流量調(diào)節(jié)對信都水文站斷面的水位、流量有較大影響，特別是在枯水期，影響尤為顯著。

1.2 水文特征

因受合面獅電站開關(guān)閘影響，水位漲落較快，與自然河道有較大差異；信都站多年平均水位為47.12 m，非汛期為46.85 m，汛期為47.44 m。歷史調(diào)查最高水位為1908年6月的55.14 m，實(shí)測最高為2002年 7月 2日的 55.08 m，流量為 7320 m3/s，最大流速為4.20 m/s。實(shí)測最低水位為2011年2月1日的45.85 m，除1974年3月16日受合面獅電站工程建設(shè)影響為0 外，最小流量為2011年2月1日的0.85 m3/s。

2 儀器設(shè)備情況

2.1 儀器引進(jìn)的目的

自合面獅水電站蓄水以來，信都水文站正常流量測驗(yàn)受電站蓄、放水影響嚴(yán)重，水位流量關(guān)系復(fù)雜，大大增加了水文測驗(yàn)與水情預(yù)報(bào)的工作強(qiáng)度。采用傳統(tǒng)的纜道流速儀法施測流量，不但耗時(shí)長，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以掌握受水利工程影響下水位流量關(guān)系變化情況。信都水文站為巡測站，由賀州水文站（中心水文站）負(fù)責(zé)統(tǒng)籌管理，日常測站運(yùn)行維護(hù)及水文監(jiān)測較難兼顧，因此在信都站實(shí)現(xiàn)流量測驗(yàn)自動(dòng)化極為迫切。

基于以上考慮，賀州水文中心于2016年11月引進(jìn)了TRDI CM600水平式ADCP（以下簡稱水平式ADCP）測流系統(tǒng)，并安裝于信都水文站基本測流斷面，經(jīng)安裝調(diào)試完成后，與纜道流速儀法等傳統(tǒng)測驗(yàn)方法進(jìn)行比測。

2.2 儀器測流原理

水平式ADCP采用聲學(xué)多普勒頻移原理來測量水流的速度，如果一個(gè)聲源與接收聲波物體之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)差異，即有一個(gè)多普勒的頻移。TRDI CM600水平式ADCP是TRDI公司新一代ADCP 產(chǎn)品。它結(jié)構(gòu)緊湊、標(biāo)準(zhǔn)配置高、功能強(qiáng)、適用范圍廣。主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

TRDI CM600 水平式ADCP 有3 個(gè)聲學(xué)波束（如圖1），安裝在水下一定深度的某個(gè)位置（通常是在水道中），3 個(gè)波束中的一個(gè)是垂直方向發(fā)射的，其余的兩個(gè)波束是水平方向指向水道發(fā)射。垂直向上的波束測量水位。兩條成一定角度的水平波束，通過多普勒方法以二維的方式測量流速。然后測量得到的實(shí)時(shí)水位、流速（指標(biāo)流速）等信息（結(jié)合水道幾何圖形），結(jié)合水位～面積關(guān)系、指標(biāo)流速～斷面平均流速關(guān)系等相關(guān)率定分析成果，最終計(jì)算得到實(shí)時(shí)斷面面積、斷面平均流速，以及實(shí)時(shí)流量過程，達(dá)到在線測流目的。

圖1 TRDI CM600水平式ADCP應(yīng)用示意圖

表1 TRDI CM600水平式ADCP主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 儀器安裝調(diào)試

信都站的水平式ADCP換能器安裝在基本水尺斷面兼流速儀測流斷面右岸距離水邊約40 m 的鋼質(zhì)固定樁上，起點(diǎn)距330 m，安裝高程為45.73 m（見圖2），通過電纜穿過水位臺(tái)連接放在水位臺(tái)內(nèi)的采集器終端，得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測河道水流指標(biāo)流速。安裝調(diào)試好的儀器橫搖和縱搖分別為-0.8°、0°，均在±1°范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)水位時(shí)，可以獲得120 m的測量范圍，可有效覆蓋主流位置。

圖2 信都站水平式ADCP安裝平面示意圖

3 ADCP流速資料分析

3.1 流量比測情況

比測是用常規(guī)流速儀法所測斷面平均流速Vm（簡稱平均流速）與水平式ADCP 的實(shí)測流速Vi（簡稱指標(biāo)流速）進(jìn)行比較，常規(guī)（傳統(tǒng)）流速儀法的測驗(yàn)方法執(zhí)行《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）、《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）有關(guān)規(guī)定，使用水文纜道測驗(yàn)，鉛魚重量為200 kg，用LS25-1、LS78 型流速儀，采用7 條測速垂線0.6 一點(diǎn)法進(jìn)行流速測量。水平式ADCP 依據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》（SL337-2006）開展測驗(yàn)，流速采樣間隔時(shí)間設(shè)置為5 min，取比測時(shí)間內(nèi)的流速的平均值為指標(biāo)流速。比測時(shí)間從2017年1月1日～2017年12月31日，累計(jì)使用常規(guī)流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)44次，共收集比測資料44組。

3.2 流速相關(guān)關(guān)系分析

2017年1月1日～2017年12月31日共收集到44份比測成果，實(shí)測最低水位46.26 m，最高水位50.78 m，水位變幅為4.52 m，平均流速為0.078～1.40 m/s。

比測率定以流速儀的實(shí)測斷面平均流速與水平式ADCP的指標(biāo)流速進(jìn)行率定。流速儀的實(shí)測斷面平均流速為斷面平均流速Vm，流速儀法測流起止時(shí)間摘錄相應(yīng)時(shí)間內(nèi)水平式ADCP所測流速用算術(shù)平均值作為指標(biāo)流速Vi，同步比測數(shù)據(jù)見表2。

表2 斷面平均流速與水平式ADCP指標(biāo)流速對照及檢驗(yàn)成果表

將水平式ADCP指標(biāo)流速Vi與實(shí)測斷面平均流速Vm組成樣本進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，得到ADCP的指標(biāo)流速與斷面平均流速Vi-Vm關(guān)系線。由于第一次建立的關(guān)系曲線標(biāo)準(zhǔn)差Se均不符合《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）中的3.3.2 要求；故刪除其中11組相對誤差較大的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析這些測點(diǎn)為人為誤差或受上游電站影響造成相對誤差較大，舍去后，再重新建立ADCP 的指標(biāo)流速與實(shí)測斷面平均流速Vi～Vm關(guān)系線，如圖3。

圖3 流速相關(guān)關(guān)系圖

分別進(jìn)行3 種檢驗(yàn)及隨機(jī)不確定度計(jì)算，3 種檢驗(yàn)都達(dá)到合格（見表2），其相關(guān)系數(shù)R=0.9 960，隨機(jī)不確定度為10.6%，系統(tǒng)誤差為0.25%。均符合《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）中的3.3.2第2條“巡測站定線隨機(jī)不確定度可增大2%～4%”要求。

4 成果比較分析

4.1 水位、流量過程線比較分析

根據(jù)信都站實(shí)測流量成果，采用臨時(shí)曲線法進(jìn)行推流，點(diǎn)繪2017年 7月1～31日實(shí)測水位、流速儀法流量過程線，同時(shí)利用水平式ADCP 所監(jiān)測指標(biāo)流速，按一元二次方程Vm=-0.0 751Vi2+0.9 533Vi+0.0 744 算出斷面平均流速乘以當(dāng)時(shí)水位對應(yīng)的水面面積計(jì)算出流量為水平式ADCP 實(shí)測流量，用連實(shí)測流量法點(diǎn)繪2017年7月1～31日實(shí)測水平式ADCP實(shí)測流量過程線，見圖4。

從圖4的水位、流速儀法流量、水平式ADCP實(shí)測流量過程線可以知道，流速儀法流量、水平式ADCP實(shí)測流量過程線與實(shí)測水位過程變化趨勢一致，即水位高流量大，水位低流量小。流速儀法流量、水平式ADCP實(shí)測流量過程基本一致。

圖4 信都站水位、流量過程線對比圖

4.2 年徑流量、汛期徑流量比較分析

用流速儀實(shí)測流量以臨時(shí)曲線定線推流與水平式ADCP 實(shí)測流量連實(shí)測流量法推流分別統(tǒng)計(jì)2017年年徑流量及汛期徑流量進(jìn)行對比分析（見表4）。由表4 可知，兩種方法計(jì)算的年徑流量及汛期徑流量相對誤差較小，符合《水文巡測規(guī)范》（SL195-2015）中的4.5.3要求。根據(jù)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）等有關(guān)規(guī)定，該水平式ADCP 測驗(yàn)及整編成果完全符合并滿足推流要求。

表4 年徑流量、汛期徑流量的對照表

5 幾個(gè)關(guān)鍵問題及探討

5.1 關(guān)于水平式ADCP在線測流系統(tǒng)的優(yōu)越性

綜合上述內(nèi)容，采用傳統(tǒng)方法推流整編的成果與水平式ADCP 在線測流法成果是一致的，但監(jiān)測過程和效果上看，水平式ADCP 在線測流法與傳統(tǒng)方法相比有優(yōu)越性。一是水平式ADCP在線測流法突破了傳統(tǒng)方法主要依靠人工通過勞動(dòng)密集型操作實(shí)現(xiàn)流量過程監(jiān)測的目的，以電子設(shè)備代替人力，具備了不斷向全面自動(dòng)性、智能性升級的空間；二是水平式ADCP 在監(jiān)測頻次、過程線控制上優(yōu)越性突出，水平式ADCP 一般采用5 min/次采集實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)是以人工作業(yè)為主的傳統(tǒng)方法無法做到的；三是水平式ADCP法在解放勞動(dòng)力，使水文測站提檔升級方面具有明顯優(yōu)勢。

5.2 關(guān)于低流速條件下的率定分析探討

因流速儀法等傳統(tǒng)測流的局限性，當(dāng)流速較小時(shí)測驗(yàn)誤差較大。如斷面平均流速小于0.20 m/s時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)±0.01 m/s 測驗(yàn)絕對誤差時(shí)，其計(jì)算的相對誤差卻達(dá)到±5%，但是它對水量的影響是微小的，可見在比測率定過程中不應(yīng)過于糾結(jié)低速部分精度問題，而應(yīng)該將重心轉(zhuǎn)移到過程線控制以及日、旬、月、年水量的把控上。《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）、《水文巡測規(guī)范》（SL195-2015）對流量精度規(guī)定多從單次流量測驗(yàn)和水位流量關(guān)系線誤差考慮，缺乏新測驗(yàn)方法、新整編方法的誤差分析指標(biāo)，不利于處于水利梯級工程影響下水文站流量監(jiān)測，建議盡快出臺(tái)新的、更科學(xué)精度控制辦法，以期突破當(dāng)前技術(shù)瓶頸。

5.3 關(guān)于比測率定成果的應(yīng)用范圍拓展問題

在信都水文站流速關(guān)系比測率定中，比測最低水位46.26 m，最高水位為50.78 m，水位變幅4.52 m，為中低水位級，與歷年實(shí)測最高水位55.06 m，最大流量7320 m3/s，最大流速4.20 m3/s，還有較大的差距，因此對中高水位應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行比測分析。

6 結(jié)語

通過信都水文站水平式ADCP流速關(guān)系率定分析、誤差精度分析和推流整編應(yīng)用效果分析等相關(guān)成果，認(rèn)為設(shè)備安裝位置和采樣區(qū)域代表性良好，單次測驗(yàn)精度高，比測率定數(shù)據(jù)代表性較好，滿足分析需要。比測率定分析方法合理，率定精度滿足國家基本水文站流量測驗(yàn)精度要求。2019年12月，信都水文站水平式ADCP 在線測系統(tǒng)已獲得廣西壯族自治區(qū)水文中心批準(zhǔn)正式投產(chǎn)使用，其監(jiān)測成果可納入國家基本站水文資料整編及復(fù)審匯編。