劉運(yùn)珊 程 亮

(贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江西 贛州 341000)

山區(qū)的大中河流大多數(shù)水力資源豐富且擁有良好的開(kāi)發(fā)條件，是水電開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域[1]。隨著階梯式水電工程的建成，水文測(cè)站處于回水區(qū)時(shí)，水位-流量關(guān)系變得復(fù)雜，為推求徑流量常采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線方法整編，但該方法要求測(cè)量測(cè)次足夠，工作成本相對(duì)較大[2]，且無(wú)法掌握流量實(shí)時(shí)變化過(guò)程，時(shí)效性差。水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(以下簡(jiǎn)稱H-ADCP)將聲學(xué)換能器固定安裝在水下合適位置監(jiān)測(cè)河流平層流速，采用指標(biāo)流速法推算斷面平均流量來(lái)實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)，是一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)驗(yàn)流量的設(shè)備[3]。H-ADCP對(duì)于常年水深較大、水平層流速代表性較好的測(cè)站具有較大的實(shí)用價(jià)值，可實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化[4-5]?，F(xiàn)以受回水影響的江西省壩上水文站為例，使用H-ADCP進(jìn)行流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，率定H-ADCP流速關(guān)系并進(jìn)行流量及整編成果分析，分析H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在受回水影響的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的應(yīng)用情況。

1 測(cè)站基本情況

壩上水文站始建于1953年1月，流域面積7657km2，位于贛州市章江新區(qū)梅關(guān)大道，屬于長(zhǎng)江流域鄱陽(yáng)湖區(qū)贛江水系一級(jí)支流章水控制站，為一類精度水文站，是國(guó)家重點(diǎn)水文站。該站實(shí)測(cè)歷史最高水位為103.83m，出現(xiàn)時(shí)間是1961年6月13日；實(shí)測(cè)歷史最低水位為93.82m，出現(xiàn)時(shí)間是2004年1月28日；多年平均流量198m3/s，多年平均年徑流總量為62.4億m3。

該站測(cè)驗(yàn)河段順直，兩岸為人工整治河堤，河岸穩(wěn)定，無(wú)漫灘，河床由細(xì)沙和淤泥組成，有沖淤現(xiàn)象，枯水時(shí)露沙灘，水流分叉，系土質(zhì)，斷面下游1.2km處河道彎曲。斷面上游8km處有章江水輪泵站一座，0.5km處有一面積約0.12km2的江心洲；下游12km與貢水匯合后始稱贛江。2001年在下游11.5km處建章江橡膠壩一座，于2002年5月下旬開(kāi)始蓄水。受橡膠壩回水頂托影響，該站中低水位基本處于回水區(qū)，平水期水位壅高1.5～2.3m左右，流速僅為0.02～0.20m/s，為此，該站采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法推求及整編流量。

2 儀器設(shè)備情況

2.1 儀器主要參數(shù)

該站采用了淘金者Argonaut-SL500型流量計(jì)。主機(jī)外殼為寬33.2cm×高17.8cm×厚12.4cm的實(shí)體，正面有2個(gè)用于測(cè)量水層水體流速的水平聲學(xué)傳感器，頂端有1個(gè)用于向上測(cè)量水深的垂直聲學(xué)傳感器。主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儀器主要參數(shù)

2.2 儀器安裝情況

H-ADCP采用指標(biāo)流速法進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，即指標(biāo)流速乘以借用斷面面積得到指標(biāo)流量。按照規(guī)范要求并結(jié)合壩上站實(shí)際地形、流態(tài)等情況，將H-ADCP儀器安裝在河道左岸基本水尺斷面上游1.0m，儀器距測(cè)流斷面4.0m(測(cè)流斷面位置為基上5.0m)，起點(diǎn)距13m、高程96.80m處，安裝位置見(jiàn)圖1和圖2。按照H-ADCP波束角1.4°計(jì)算，測(cè)量范圍要求水位大于97.3m。H-ADCP指標(biāo)流速采集范圍為左岸5～80m(起點(diǎn)距18～93m)內(nèi)的水平平均流速。

圖1 H-ADCP安裝位置剖面圖

圖2 H-ADCP安裝位置縱向圖

3 應(yīng)用情況

3.1 比測(cè)方案

a.收集壩上站2020年1—10月的實(shí)測(cè)流量，與同一時(shí)間的在線H-ADCP流量進(jìn)行對(duì)比分析，確定相關(guān)性，并分析誤差存在的原因。

b.對(duì)斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

c.將H-ADCP流量整編成果與原連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線的整編成果進(jìn)行對(duì)比分析，分析H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該站的應(yīng)用情況。

3.2 資料情況

本次采用2020年1月4日至10月31日數(shù)據(jù)，水位位于97.30m以上的實(shí)測(cè)流量137次，H-ADCP每15min采集一組指標(biāo)流速數(shù)據(jù)，共收集數(shù)據(jù)30266組。實(shí)測(cè)流量及H-ADCP數(shù)據(jù)情況(見(jiàn)表2)顯示：1—10月數(shù)據(jù)中，受下游回水頂托的影響，蓄水期間H-ADCP出現(xiàn)極少量負(fù)流速情況，通過(guò)調(diào)查同期下游大壩滲流流量，進(jìn)行修正。

表2 比測(cè)期間監(jiān)測(cè)洪水變幅情況

3.3 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)壩上站歷年測(cè)驗(yàn)斷面特性和2020年汛前、汛中所測(cè)大斷面面積和平均河底高程變化分析，測(cè)驗(yàn)斷面局部有沖淤現(xiàn)象，但總體較為穩(wěn)定，兩次測(cè)量結(jié)果接近。其中在水位97m時(shí)相對(duì)誤差1.6%，水位100m時(shí)相對(duì)誤差0.6%，說(shuō)明斷面穩(wěn)定性較好，H-ADCP可借用斷面見(jiàn)圖1和表3。

表3 壩上站2020年斷面變化分析成果

3.4 流速率定

將137次實(shí)測(cè)斷面平均流速與相應(yīng)時(shí)間H-ADCP所測(cè)指標(biāo)流速進(jìn)行對(duì)比，其中H-ADCP指標(biāo)流速為相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的算術(shù)平均值。由圖3和表4可以看出，二者有明顯的線性關(guān)系：流速以0.57m/s為分界，呈現(xiàn)折線關(guān)系，相關(guān)性良好，即流速小于0.57m/s時(shí)，采用Ⅰ線關(guān)系式y(tǒng)=1.1028x+0.0222，相關(guān)系數(shù)R2為0.9575，系統(tǒng)誤差0，標(biāo)準(zhǔn)差0.3%，不確定度0.6%，適線檢驗(yàn)合理，由于測(cè)點(diǎn)多且沒(méi)有刪除凸出測(cè)點(diǎn)，故符號(hào)檢驗(yàn)和數(shù)值偏離檢驗(yàn)略偏大，總體來(lái)說(shuō)該線還是合理的；流速大于等于0.57m/s時(shí)，采用Ⅱ線關(guān)系式y(tǒng)=0.7445x+0.1933，相關(guān)系數(shù)R2為0.9989，系統(tǒng)誤差0.1%，標(biāo)準(zhǔn)差1.4%，不確定度2.8%，三檢結(jié)果合理。

表4 斷面平均流速與H-ADCP指標(biāo)流速回歸方程三線檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 實(shí)測(cè)、在線流速相關(guān)圖

本次率定樣本范圍水位為97.30～99.25m，實(shí)際水位變幅95.94～99.26m，高水延長(zhǎng)線延長(zhǎng)30%后該流速關(guān)系可用范圍為97.30～100.25m。

3.5 流量分析

將H-ADCP指標(biāo)流速乘以率定的K值，得到H-ADCP斷面平均流速，再乘以借用斷面面積，即得到流量。將137次實(shí)測(cè)流量與相應(yīng)時(shí)間H-ADCP所測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)測(cè)流量與H-ADCP流量關(guān)系見(jiàn)圖4。二者有明顯的線性關(guān)系，R2為0.9895，相關(guān)性好。經(jīng)計(jì)算，絕對(duì)誤差平均值為-0.06m3/s，系統(tǒng)誤差為0.02%。

圖4 實(shí)測(cè)斷面平均流量與H-ADCP斷面平均流量關(guān)系

2020年實(shí)測(cè)最大流量測(cè)次為第52次，相應(yīng)水位為99.25m，實(shí)測(cè)最大流量為1870m3/s，同期H-ADCP測(cè)得流量為1886m3/s，相對(duì)誤差0.87%。2020年實(shí)測(cè)最小流量測(cè)次為第33次，相應(yīng)水位為97.10m，實(shí)測(cè)最小流量為11.5m3/s，此時(shí)水位已低于H-ADCP水深范圍0.2m。

3.6 整編成果分析

將2020年1—10月徑流量以連實(shí)測(cè)流量法與H-ADCP進(jìn)行整編，經(jīng)分析，水位在97.30m以上時(shí)(2020年1—10月97.3m以上實(shí)測(cè)測(cè)次占比為90.3%)，在線整編成果較好，選擇本年度一次最大洪水過(guò)程進(jìn)行次洪徑流量對(duì)比，次洪流量過(guò)程對(duì)照見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯陱搅骺偭空`差-1.60%、汛期徑流量誤差-2.75%、一次洪水過(guò)程徑流量誤差-2.81%，滿足規(guī)范要求。詳見(jiàn)表5。

圖5 年最大洪水水位流量過(guò)程對(duì)照?qǐng)D

表5 徑流量對(duì)比及誤差

4 問(wèn)題及建議

在使用H-ADCP進(jìn)行流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)建議如下：

a.受回水影響，設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)可能監(jiān)測(cè)到少量負(fù)流速情況，此時(shí)應(yīng)調(diào)查大壩滲流流量，以作修正。

b.H-ADCP探頭安裝在水中，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法判斷儀器是否故障，只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上查詢數(shù)據(jù)判斷儀器或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障，維護(hù)較為困難。

c.保持設(shè)備正常運(yùn)行是確保測(cè)量精度的有效措施，每天要監(jiān)視H-ADCP數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障時(shí)要及時(shí)維修。

d.當(dāng)校核流量與關(guān)系式計(jì)算流量發(fā)生較大系統(tǒng)偏離時(shí)，要及時(shí)對(duì)關(guān)系式進(jìn)行重新分析，驗(yàn)證關(guān)系的穩(wěn)定性。

e.斷面存在沖淤情況，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，大斷面汛前、汛中、汛后各施測(cè)一次，較大洪水過(guò)后及時(shí)施測(cè)斷面，并及時(shí)更新斷面數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

在受回水影響的壩上水文站進(jìn)行試驗(yàn)，使用H-ADCP進(jìn)行流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，率定H-ADCP流速關(guān)系并進(jìn)行流量及整編成果分析，發(fā)現(xiàn)壩上站實(shí)測(cè)斷面平均流速與指標(biāo)流速有明顯的線性關(guān)系，實(shí)測(cè)流量與H-ADCP流量相關(guān)性較好。適用水位級(jí)內(nèi)，H-ADCP在線整編成果較好，年徑流總量誤差、汛期徑流量誤差及一次洪水過(guò)程徑流量誤差均滿足規(guī)范要求，成果可用于資料整編。H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在受回水影響的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的應(yīng)用情況較好，能較好地彌補(bǔ)連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線方法整編的不足，但使用H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意若出現(xiàn)負(fù)流量時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)查下游大壩滲流情況以作流量修正，每天應(yīng)監(jiān)視H-ADCP數(shù)據(jù)以保持設(shè)備正常運(yùn)行，并及時(shí)更新斷面數(shù)據(jù)。