侯二虎，汪小勇，武 賀，周慶偉，吳國偉，白 楊

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

感潮河段是指流量和水位受到潮汐影響的河段[1]。感潮河段的水流特征與一般河流中單向水流不同，河流自然流態(tài)在潮水漲、落的影響下，順逆變化，給河流流量的測驗(yàn)帶來很大的影響[2]。感潮河段受到潮流、徑流及風(fēng)浪的相互作用，水流多變，流態(tài)非常復(fù)雜，使得在測驗(yàn)儀器、測驗(yàn)方法和資料分析方面，要比無潮河流困難的多[3]。河流流量是水資源評估的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、方便、快速的河流流量測量技術(shù)是其最基本的保障[4]。對徑入海河水徑流通量變化進(jìn)行研究，對于流域與河口的水資源管理與環(huán)境管理有重要的實(shí)際意義[5]。

傳統(tǒng)的河流流量測驗(yàn)方法包括人工船測、橋測、纜道測量和涉水測量等，需要在測流斷面上布設(shè)多條垂向，并在每條垂向上測量水深與流速，得到垂向平均流速進(jìn)而得到斷面平均流速，比較費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低[6]。為適應(yīng)發(fā)展需要，水文工作對流量測驗(yàn)的精度、效率等要求越來越高，傳統(tǒng)測流手段難以滿足實(shí)際需要，新的測驗(yàn)方式、測驗(yàn)儀器逐步應(yīng)用于水文測驗(yàn)中[7]。ADCP 即聲學(xué)多普勒海流剖面儀是利用多普勒效應(yīng)原理，測量高分辨率的瞬時(shí)流速，并測量水流深度或水流寬度，能直接計(jì)算出河道的斷面流量，極大地提高了流量測量的效率和精度。該方法已得到較大范圍的應(yīng)用，其精度也得到了較為廣泛的認(rèn)可[8]。祁祥禮[9]利用走航式ADCP 技術(shù)在鴨綠江的感潮河段進(jìn)行了5 個(gè)斷面的流量同步觀測工作，獲得了大、中、小潮時(shí)的流量變化資料，并對潮汐影響進(jìn)行了分析。陳利晶等[10]在黃浦江的感潮河段中，對比分析了ADCP 與傳統(tǒng)流速儀在應(yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明了ADCP 較傳流速儀有著高效、精確、快速等優(yōu)點(diǎn)。韋立新等[11-12]針對長江下游感潮河段，通過指標(biāo)流速法建立了ADCP 在線測流系統(tǒng)，填補(bǔ)了長江感潮河段測驗(yàn)系列資料的空白，實(shí)現(xiàn)了流量實(shí)時(shí)監(jiān)測及全年流量的過程推求。張華章[13]利用水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀（H-ADCP），選取水平平均流速作為指標(biāo)流速推算斷面平均流速，構(gòu)建了流量自動監(jiān)測站。張紅衛(wèi)等[14]利用HADCP 測流技術(shù)，建立了指標(biāo)流速與斷面平均流速的一元二次線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了自動測流系統(tǒng)。沈鴻金與詹智慧等[15-16]研究了感潮河段河流流量自動監(jiān)測系統(tǒng)，指出了感潮河段自動流量測驗(yàn)的復(fù)雜性，并以珠江三角洲的天河水文站為例，探討了自動監(jiān)測的精度與可行性。

流量監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)可以得到入海污染物通量數(shù)據(jù)，如果流量及水質(zhì)均可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，則可實(shí)現(xiàn)對污染物通量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，可改善目前污染物通量仍多為基于稀疏數(shù)據(jù)估算的研究現(xiàn)狀。林俊良等[17]仍利用稀疏數(shù)據(jù)對廣西近十年主要污染物通量變化進(jìn)行研究。袁宇[18]指出了由于監(jiān)測頻次低對于入海通量估算帶來的數(shù)據(jù)稀疏問題，其原因即是當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)非常有限。研究合理的在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)方法與實(shí)現(xiàn)形式，對于實(shí)時(shí)掌握流量乃至通量等數(shù)據(jù)以及研究制定相關(guān)政策措施，均可提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。目前已經(jīng)有學(xué)者將在線流量監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用至污染物通量監(jiān)測研究中。鄺俊俠等[19]利用在線多普勒流量儀對水環(huán)境污染通量進(jìn)行了在線監(jiān)測研究，通過走航式ADCP 進(jìn)行了斷面測量，采用指標(biāo)流速法建立了經(jīng)驗(yàn)公式，為通量的在線準(zhǔn)確監(jiān)測提供了技術(shù)參考。

本文利用ADCP 在灤河入海口感潮河段處，采用指標(biāo)流速法建立了垂向流速與斷面平均流速的關(guān)系式，并且運(yùn)用在線監(jiān)測的形式測量入海河流的流量，提高了流量測驗(yàn)工作的質(zhì)量和效率。對比分析了下游水文站處與入海口感潮河段處的水文特性，指出了水文控制斷面的選擇對于感潮河段的科學(xué)意義，為提高我國水文預(yù)報(bào)精度及現(xiàn)代化水平，提供了技術(shù)支撐。

1 測站及測量概況

1.1 灤河概況

灤河上游發(fā)源于河北省豐寧縣巴延屯圖古爾山麓，平面形態(tài)猶如閃電之形在壩上高原區(qū)，流經(jīng)內(nèi)蒙古，又折回河北，于樂亭縣兜網(wǎng)鋪?zhàn)⑷氩澈?，干流全長888 km，流域面積44 750 km2[20]。灤河流域中上游是京津的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)，是京津冀協(xié)同發(fā)展的重要組成部分。灤河流域由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，其水資源供需矛盾突出，污染防治任務(wù)艱巨[21]。同時(shí)渤海灣也以灤河口至黃河口為東界，是匯入渤海灣的主要河流之一[22]。對灤河開展流量自動測量研究，分析感潮河段水文特性，可全面了解灤河匯入渤海灣的徑流量，為灤河及渤海灣環(huán)境管理及治理工作提供數(shù)據(jù)支撐。

灤河在位于河北省境內(nèi)共有4 個(gè)水文站，如圖1 所示，按照距入?？谶h(yuǎn)近，分別為位于承德市承德縣境內(nèi)的烏龍磯、唐山市遷西縣境內(nèi)的三道河子、唐山市玉田縣境內(nèi)的郭家屯、唐山市灤縣水文站。每日各站位的流量信息可從水利部下屬的全國水雨情信息網(wǎng)查到[23]。灤縣水文監(jiān)測站是灤河最下游的水文控制斷面，如圖2 所示，距灤河入?？谔幦杂?0.6 km，此區(qū)域內(nèi)水文流量數(shù)據(jù)屬于空白區(qū)域，無論是研究入海徑流量及污染物通量，均存在不可忽視的誤差。

圖1 河北省內(nèi)灤河水文站（全國水雨情信息網(wǎng)）

圖2 測站位置

1.2 測量概況

為全面了解灤河入海河段水文特性，本文首先于2018 年9 月13 日在灤縣水文站處利用走航式ADCP 及“闊龍”聲學(xué)剖面流速流向儀測量了流量及流速、流向。并于2018 年9 月14 日在灤河入?？谔帨y量了水文特性，利用走航式ADCP 方法得到了斷面平均流速及流量等數(shù)據(jù)，基于指標(biāo)流速法，利用“闊龍”得到了垂向平均流速，通過率定分析，建立了感潮河段的流量在線監(jiān)測站，分析了控制斷面選取不同對流量監(jiān)測的影響，實(shí)現(xiàn)了在河流最終入海處建立控制斷面，并可提供灤河實(shí)時(shí)的入海徑流量數(shù)據(jù)。

本文采用指標(biāo)流速法研究了感潮河段流量在線監(jiān)測方法，指標(biāo)流速是河流橫斷面上某處的局部流速（某一局部的實(shí)測流速），斷面平均流速可以認(rèn)為是河流斷面上的總平均流速。斷面監(jiān)測的最理想情況是可以實(shí)現(xiàn)全斷面的流速實(shí)時(shí)測量，加上河道面積信息便可以得到控制斷面處的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。但是由于河道斷面形狀復(fù)雜及面積過大，現(xiàn)有水文儀器無法做到實(shí)時(shí)覆蓋全部斷面的測量，只能監(jiān)測某一區(qū)間內(nèi)的斷面流速。指標(biāo)流速法的本質(zhì)是由局部流速來推算斷面平均流速，建立斷面平均流速與指標(biāo)流速之間的相關(guān)關(guān)系，又稱為相關(guān)分析法或回歸法[24]。實(shí)際應(yīng)用中，有3 種局部流速可以作為指標(biāo)流速：點(diǎn)流速、垂向平均流速、水平平均流速，如圖3所示。

圖3 三種指標(biāo)流速示意

本文采用垂向平均流速作為指標(biāo)流速，采用2 MHz 的“闊龍”聲學(xué)剖面流速流向測量儀測量垂向平均流速，輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為10 min。“闊龍”聲學(xué)剖面流速流向測量儀的分辨率為1 mm/s，準(zhǔn)確度為所測流速的1%±0.5 cm/s，測量剖面范圍為0～12 m，測速范圍為±10 m/s。測量時(shí)選用浮式平臺作為搭載“闊龍”的支撐平臺，如圖4 所示，測量方式為從水面至水底，“闊龍”利用“常平架”結(jié)構(gòu)形式固定于浮式平臺上，以保持自身姿態(tài)處于豎直狀態(tài)。

采用1 200 kHz 的“瑞江”走航式ADCP 測量斷面流量及斷面平均流速，ADCP 安裝在無動力無人船上，采用拖曳于漁船上的形式進(jìn)行斷面往復(fù)測量，如圖5 所示。走航式 ADCP 測速范圍為 0～±20 m/s，分辨率為 0.01 m/s，測量精度為±0.25%±2.5 mm/s，可測量70 m 以淺水深內(nèi)的剖面流速、流向數(shù)據(jù)。

圖4 “闊龍”聲學(xué)多普勒流速、流向剖面儀

圖5 走航式ADCP 現(xiàn)場測量圖

1.3 水文特性分析

1.3.1 灤縣水文站 灤縣水文站處水面寬度約為113.2 m，監(jiān)測站位處水深為4.0 m。采用“闊龍”測得的流速、流向過程曲線如圖6 所示，監(jiān)測時(shí)間為9：30～16：10，分析數(shù)據(jù)取自 1.5 m 層深。

圖6 灤縣水文站流速、流向曲線

可以看出，灤縣水文站處流速與流向數(shù)據(jù)均較穩(wěn)定，顯然沒有受到潮波的影響，流向一直穩(wěn)定在190°附近，總體標(biāo)準(zhǔn)差為17.24°。流速較小，平均流速為0.1 m/s，總體標(biāo)準(zhǔn)差為0.02 m/s。

通過走航式ADCP 監(jiān)測灤縣水文站處的流量數(shù)據(jù)，監(jiān)測時(shí)間為 9：43～14：26，共 14 個(gè)測回?cái)?shù)據(jù)，測得平均流量為50.1 m3/s，當(dāng)日灤縣水文站上報(bào)流量為50 m3/s。無人船測得的流量與水文站測得流量數(shù)據(jù)相對誤差僅為0.2%，驗(yàn)證了測量方法的準(zhǔn)確性。

圖7 入?？谔幜魉佟⒘飨蜻^程曲線

1.3.2 灤河入?？?入?？谔幈O(jiān)測斷面寬度約為344.6 m，河面寬度較灤縣水文站處增大了204.4%，監(jiān)測站位處水深為2.0 m，較灤縣水文站處水深減小了50%。采用“闊龍”測得的流速、流向過程曲線如圖7 所示，流速與流向數(shù)據(jù)取自1 m 層深，測量時(shí)間為8：10～20：10。潮位數(shù)據(jù)來源于京唐港潮汐表，京唐港與灤河入海口直線距離僅相距35 km，可借鑒此處潮位信息。潮位過程曲線如圖8 所示。

圖8 京唐港潮位過程曲線

通過圖7 和圖8 可以看出，灤河入海河口屬于典型的感潮河段，河流流向及流速受到海洋潮波影響顯著，潮汐類型屬于半日潮。高潮時(shí)和低潮時(shí)，流速最小，為轉(zhuǎn)流時(shí)段；漲急與落急時(shí)段出現(xiàn)在半潮面處，故此處潮波屬于駐波類型。當(dāng)日最高潮位為2.22 m，出現(xiàn)在 3：43，最低潮位為 1.08 m，出現(xiàn)在22：17，當(dāng)日最大潮差為1.11 m。

9：40～15：40 為漲潮階段，流向在 240°附近，為西流，海水由渤海灣倒灌進(jìn)灤河，流速較小，最大流速為 0.26 m/s。16：00～22：00 為落潮階段，流向約為80°，為東流，河水由灤河注入渤海灣，流速較大，最大流速為0.50 m/s。

1.3.3 流量估算 感潮河段由于顯著受到潮汐周期性漲落的影響，導(dǎo)致水文情況較常規(guī)河流更加復(fù)雜，如何精確地估算其入海徑流量，是水文監(jiān)測中的難點(diǎn)。根據(jù)河流水文特性，發(fā)展適宜的在線監(jiān)測方法，可有效提高監(jiān)測頻次，縮小徑流量估算誤差。本文徑流量監(jiān)測屬于短時(shí)估算方法，徑流量計(jì)算公式見式（1）。

式中：Qt為感潮河段的徑流量；t0為落潮開始時(shí)間；t1為落潮憩流開始時(shí)間；t2為漲潮開始時(shí)間；t3為漲潮憩流開始時(shí)間。

本次監(jiān)測得的落潮期流量平均為242.0 m3/s，漲潮期流量平均為129.9 m3/s，矢量和得到灤河入?？谔幜髁繛?12.1 m3/s。而灤縣水文站處測得流量為50.1 m3/s，流量數(shù)據(jù)增大了124%，在水文站至入海河口長達(dá)70.6 km 的范圍內(nèi)，灤河徑流量有了很大的增長，控制斷面設(shè)在最終入海口處，可以顯著提高水文監(jiān)測的精度，掌握更加精確的入海信息。

2 率定分析

2.1 比測

流量在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)流程如圖9 所示，根據(jù)流量計(jì)算公式Q=A×V，其中A為河道斷面面積，V為河道斷面平均流速，實(shí)現(xiàn)A與V的在線監(jiān)測，即可實(shí)現(xiàn)流量的在線監(jiān)測。本文利用無人船搭載走航式ADCP 在灤河入海口處開展了指標(biāo)流速的比測工作，找到了垂向指標(biāo)流速與全斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，在運(yùn)用走航式ADCP 進(jìn)行全斷面流量測驗(yàn)的同時(shí)，“闊龍”以10 min 采樣間隔進(jìn)行測量。

比測前，各相關(guān)設(shè)備均進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)校準(zhǔn)，相互之間偏差小于5 s，確保時(shí)間同步。共同步施測點(diǎn)數(shù)22 個(gè)，走航式ADCP 平均單次測量耗時(shí)5'12''。對比測驗(yàn)資料進(jìn)行整理計(jì)算，并對測驗(yàn)成果進(jìn)行率定分析，得到灤河試驗(yàn)站指標(biāo)流速Vi和斷面平均流速Vp的相關(guān)關(guān)系。

建立率定關(guān)系又稱作對指標(biāo)流速與斷面平均流速建立回歸方程，常用的回歸方程包括一元線性、一元二次、冪函數(shù)、符合線性等。通常可以采用幾種方程進(jìn)行回歸分析，然后對回歸分析結(jié)果進(jìn)行綜合評價(jià)后確定“最佳”回歸方程[14]。本文采用最小二乘法建立了一元線性回歸方程，方程公式為Vp=0.933Vi-0.002 1，關(guān)系曲線如圖10 所示。其中指標(biāo)流速來源于“闊龍”聲學(xué)剖面流速流向測量儀，采用其垂向平均流速。

圖9 指標(biāo)流速法流程

2.2 誤差分析

為衡量流速與斷面平均流速關(guān)系曲線的預(yù)測吻合度，本文對關(guān)系式做了誤差分析，選用決定系數(shù)、殘差平方和、總平分和與均方誤差來衡量關(guān)系式的質(zhì)量，見式（2）～式（5），誤差分析結(jié)果見表1。

圖10 指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系曲線

殘差平方和SSE

式中：m為比測次數(shù)；yi是實(shí)測數(shù)據(jù)值；fi為曲線預(yù)測值。

總平方和SST

式中：yavg是實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值。

決定系數(shù)R2

均方誤差MSE

表1 關(guān)系曲線誤差分析

從表1 可以看出，本文建立的一元線性回歸方程可以較好的預(yù)測斷面平均流速，決定系數(shù)R2為0.948，均方誤差MSE僅為0.000 4?；凇伴燒垺睖y得的指標(biāo)流速與基于走航式ADCP 測得的斷面平均流速間的吻合度非常高，此回歸方程可以用于灤河入?？谔幍牧髁孔詣訙y驗(yàn)工作中。

2.3 檢驗(yàn)分析

《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）[25]規(guī)定：關(guān)系曲線為單一曲線、使用時(shí)間較長的臨時(shí)曲線及經(jīng)單值化處理的單一線，且測點(diǎn)在10 個(gè)以上者，應(yīng)做符號、適線和偏離檢驗(yàn)。本文對上述率定關(guān)系曲線做了檢驗(yàn)分析，結(jié)果詳見表2。

表2 檢驗(yàn)結(jié)果

從表2 的檢驗(yàn)分析結(jié)果來看，監(jiān)測站“闊龍”測得的指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系檢驗(yàn)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)誤差均符合規(guī)范要求，指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系成單一關(guān)系，利用垂向平均流速獲取斷面平均流速的方法是可行的，滿足流量監(jiān)測的需要。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)

本文研究的流量監(jiān)測系統(tǒng)，目標(biāo)是為完成感潮河段流量的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)將入海河流的水文監(jiān)測控制斷面設(shè)在最終入?？谔?，提高現(xiàn)有水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。本文建立的流量在線監(jiān)測站可實(shí)時(shí)發(fā)送通過“闊龍”聲學(xué)剖面流速流向測量儀測量的數(shù)據(jù)，上傳至自動化監(jiān)測系統(tǒng)，如圖11 所示，圖中展示了自動監(jiān)測站位位置。

圖11 在線監(jiān)測站點(diǎn)

通過本系統(tǒng)可查看“闊龍”測量的各層流速、流向數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，也可以查看并下載歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合上文通過率定分析得出的指標(biāo)流速與斷面平均流速的回歸方程，可推導(dǎo)出測量斷面的平均流速，進(jìn)而可以得出斷面流量，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線流量監(jiān)測的功能。

4 結(jié)論

本文研究了灤河下游水文特性及實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測的意義，并在灤河入?？谔幗ㄔO(shè)了流量在線監(jiān)測站，獲得以下結(jié)論：

（1）灤河入?？谔帉儆诘湫偷母谐焙佣?，潮波屬于駐波類型，入?？谔庉^最下游水文站處流量增大了124%，水文控制斷面設(shè)在最終入?？谔幙商岣咚谋O(jiān)測數(shù)據(jù)精度。我國大多數(shù)河流的下游水文站均距離入?？谳^遠(yuǎn)，在入?？谔幵O(shè)立流量監(jiān)測站，可填補(bǔ)此區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)空白。

（2）本文建立了指標(biāo)流速與斷面平均流速間回歸方程，指標(biāo)流速選為“闊龍”測量的垂向平均流速，回歸方程的決定系數(shù)達(dá)到了0.948，均方誤差僅為0.000 4，并且符號、適線及偏離檢驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

（3）感潮河段受潮汐影響劇烈，尤其是漲急、落急時(shí)刻，流速變化非?？?，而入?？谔幒恿鲗挾绕毡檩^大，單次測量時(shí)間較長，增大了斷面平均流速的測量誤差，如本文走航式ADCP 單次測回平均耗時(shí)已經(jīng)達(dá)到了5'21''。感潮河段斷面測量可探索在同一斷面上布設(shè)多條船只，采用同時(shí)、同方向測驗(yàn)的監(jiān)測方式，以減小測量誤差，提高關(guān)系曲線精度。

本文是對我國近海普遍存在的感潮河段流量在線監(jiān)測方法的初步探索，后續(xù)研究應(yīng)增加斷面測量的時(shí)間及頻次，并研究同時(shí)采用兩種及以上局部流速作為指標(biāo)流速的率定方法，以進(jìn)一步提高關(guān)系曲線的適用性及精度。本文研究成果可以提高感潮河段的流量監(jiān)測精度，為詳細(xì)了解河流入海狀況以及提高水文預(yù)報(bào)水平提供技術(shù)支撐。