靳 君

（銅川水文水資源勘測(cè)中心,陜西 銅川 727100）

1 概況

1.1 測(cè)站基本情況

秦渡鎮(zhèn)（五）水文站為渭河南岸中等面積區(qū)域代表站,設(shè)立于1934年5月,屬國(guó)家基本水文站。位于陜西省高新區(qū)秦渡鎮(zhèn),主要為收集灃河流域基本水文資料,研究分析本流域產(chǎn)匯流規(guī)律,為開發(fā)利用灃河水資源、河道治理、防汛減災(zāi)提供水文情信息和服務(wù)。2011年1月,該站安裝了HADCP流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.2 流域概況

灃河為渭河南岸較大支流,發(fā)源于西安市長(zhǎng)安區(qū)喂子坪鄉(xiāng)雞窩子以上的秦嶺梁北側(cè),于咸陽(yáng)市灃東鄉(xiāng)邵家村流入渭河。河流全長(zhǎng)81.9 km,流域面積1459.5 km2,秦渡鎮(zhèn)站斷面以上集水面積566 km2,距河口里程36 km。灃河主要支流有潏河、高冠峪河、太平峪河。調(diào)查最大洪峰流量1430 m3/s,發(fā)生時(shí)間為1957 年7 月16 日,實(shí)測(cè)最大流量808 m3/s,發(fā)生時(shí)間為2002年6月9日,實(shí)測(cè)最小流量0.00 m3/s,實(shí)測(cè)最大含沙量66.2 kg/m3。

1.3 測(cè)驗(yàn)斷面情況

秦渡鎮(zhèn)（五）水文站測(cè)驗(yàn)河段順直,兩岸均為人工河提,細(xì)沙河床,水流平緩,斷面沖淤變化小,河床比較穩(wěn)定?；舅邤嗝婕娓?biāo)中斷面及流速儀測(cè)流斷面,上下比降斷面兼浮標(biāo)上下斷面,上下斷面間距200 m,基線設(shè)于河道左岸,長(zhǎng)100 m。基上350 m處有座便橋,測(cè)驗(yàn)斷面下游830 m處建有灃惠渠大壩,壩頂高程395.56 m,基下800 m處有潏河匯入,當(dāng)潏河漲水時(shí),基本斷面水流受洪水頂托影響。基本水尺斷面架設(shè)閉口式吊箱纜道1處,用于流量、泥沙測(cè)驗(yàn)。

2 比測(cè)分析

2.1 比測(cè)分析目的和方法

通過(guò)對(duì)比分析,確定HADCP是否適用于秦渡鎮(zhèn)水文站的測(cè)驗(yàn)環(huán)境以及驗(yàn)證HADCP在替代傳統(tǒng)流速儀測(cè)流的可行性和優(yōu)越性,提升河道流量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)手段,改變傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方法,提高測(cè)驗(yàn)精度和效率,減輕職工常規(guī)測(cè)驗(yàn)工作強(qiáng)度。

以HADCP施測(cè)的指標(biāo)流速V指標(biāo)與常規(guī)纜道所測(cè)流量計(jì)算出的斷面平均流速V平均建立相關(guān)關(guān)系,再根據(jù)相關(guān)關(guān)系計(jì)算出關(guān)系線上的查線流速V查線,即率定得到V查線=f（V指標(biāo)）關(guān)系式。為使HADCP與常規(guī)纜道測(cè)流率定資料時(shí)間同步,指標(biāo)流速選取與常規(guī)纜道測(cè)流平均時(shí)間最接近的HADCP所測(cè)的數(shù)據(jù)參與率定分析。

2.2 SL500型HADCP的原理

HADCP的測(cè)量原理是多普勒效應(yīng),即聲波發(fā)生器向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖,這些聲脈沖碰到水中的散射體（浮游生物,泥沙等）將發(fā)生散射,被散射體反射回的聲波就會(huì)被接收器接收到,當(dāng)散射體有相對(duì)運(yùn)動(dòng),其反射的聲波在頻率上有一定的變化（頻移）,這種效應(yīng)叫做多普勒效應(yīng)。在測(cè)量中聲波發(fā)生器向水中發(fā)射聲波頻率將會(huì)與聲源的發(fā)射頻率有差異,根據(jù)測(cè)量頻差,可計(jì)算得到水流的速度。HADCP測(cè)量的是水體中代表水體某層的平均流速（指標(biāo)流速）,并非河道水體的平均流速。

式中：fd為聲學(xué)多普勒頻移,kHz；為回波頻率,kHz；ν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。

2.3 SL500型HADCP的安裝

2.3.1 SL500型HADCP組成與主要技術(shù)指標(biāo)

1）HADCP組成

HADCP由水下（換能器）、水上（RTU）兩部分組成,兩者用電纜連接。水下部分包括測(cè)速、測(cè)深換能器。

2）主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)速距離：120 m；水位測(cè)量范圍：18 m；水位準(zhǔn)確度：±0.6 cm（＜6 m）,±0.1%（≥6 m）；測(cè)量時(shí)間間隔：可設(shè)置；通信：RS-232 和SDI-12 通訊協(xié)議；測(cè)速分辨力：0.1 cm；工作環(huán)境：-5℃～40℃；溫度測(cè)量準(zhǔn)確度：±0.1℃；電源：12 V；功耗：0.7 W～1 W。

2.3.2 SL500型HADCP的適應(yīng)條件

1）儀器安裝斷面需基本穩(wěn)定、順直,滿足儀器在固定位置能施測(cè)到各級(jí)水位時(shí)的流速。

2）儀器安裝的高度基本原則是水深的0.6 處,水深在儀器施測(cè)范圍內(nèi)。

3）采樣單元要有較好代表性。通常河流的主槽最具有代表性,ViewArgonaut軟件多流層功能可以分析。在儀器測(cè)量范圍中選擇最合適的單元大小,采樣單元不應(yīng)包含回水、紊流部分。

4）保證無(wú)障礙的通道。超聲波傳播路徑上障礙物會(huì)影響流速數(shù)據(jù),發(fā)射的超聲波是一個(gè)錐體,有一定的指向角,對(duì)測(cè)量河道的水深有一定的要求,SonTek探頭指向角1.4°,縱橫比1∶（20～40）。

2.3.3 SL500型HADCP的安裝

根據(jù)秦渡鎮(zhèn)水文站測(cè)驗(yàn)河段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,HADCP安裝在河道左岸基座上?；琼藕弯摻Y(jié)構(gòu)。安裝時(shí)應(yīng)使超聲波換能器水平,以保證聲束為水平發(fā)射。HADCP主機(jī)的安裝高程根據(jù)河道主流位置和斷面水深具體情況而定。連接電纜需安全牢固。HADCP安裝位置為基本斷面起點(diǎn)距15 m處,儀器安裝高程為394.20 m。安裝支架為2.50 m（高）×0.50 m（寬）×0.30 m（厚）的不銹鋼支架,固定在垂直插入到河床底部2根鋼管立柱上,通常露出水面0.5 m～0.7 m,儀器垂直嵌入不銹鋼支架內(nèi),儀器安裝水平,基本與流向垂直,儀器兩個(gè)聲學(xué)傳感器位于同一水平面上,保證波束為水平發(fā)射。儀器水平測(cè)速距離為45.0 m。由于HADCP主機(jī)與顯示部分為有線連接,為直流電源供電,考慮到儀器的維修,在不銹鋼支架內(nèi)安裝了滑輪板,便于儀器上下移動(dòng)和拆卸。防雷擊是儀器安裝時(shí)很重要的保護(hù)措施,顯示部分采用浪涌保護(hù)器,HADCP與顯示部分連接的電纜線外套金屬管或鋁塑管,并可靠屏蔽接地,其接地電阻應(yīng)小于5Ω。

2.3.4 HADCP數(shù)據(jù)傳輸流程

HADCP為在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器,可遠(yuǎn)距離傳輸,采用公網(wǎng),具體傳輸流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.3.5 SL500型HADCP的維護(hù)

①換能器面不能壓在硬物上,也不能長(zhǎng)期受太陽(yáng)光照射。

②當(dāng)儀器水中取出時(shí)要清洗HADCP表面。

③每次插H-ADCP上的插頭時(shí),需抹少許硅脂。

④插好H-ADCP上的插頭后,要鎖好鎖圈,而在拔下插頭前,一定要先松開鎖圈。即使H-ADCP不在水中,也可以讓它發(fā)射聲波脈沖,即在空氣中可以檢測(cè)ADCP,而不會(huì)有任何損壞。

3 HADCP比測(cè)率定分析

在HADCP采樣的同時(shí),用常規(guī)纜道同步測(cè)速（測(cè)流）的方法進(jìn)行對(duì)比分析。該站采用吊箱纜道與HADCP同步測(cè)速的方式進(jìn)行比測(cè)率定。

3.1 HADCP采樣時(shí)段設(shè)置

非汛期（1 月～5 月,10 月～12 月）水位、斷面穩(wěn)定變化甚微,采樣時(shí)段設(shè)置為每18分鐘測(cè)速一次；汛期（6 月～10 月）水位、斷面變化頻繁、洪水時(shí)變化劇烈,采樣時(shí)段設(shè)置為每6 分鐘測(cè)速一次。

3.2 比測(cè)率定資料收集

2011 年1 月1 日開始進(jìn)行比測(cè)率定工作,截至2013 年1 月共取得了35 次比測(cè)資料,其中32 次為流速儀法、3 次為ADV法。

選用2012年5月、9月兩次洪水過(guò)程觀測(cè)水位與HADCP同步水位作為水位抽樣進(jìn)行水位比測(cè)分析。

4 HADCP水位、系數(shù)分析計(jì)算

4.1 比測(cè)資料分析

4.1.1 比測(cè)資料摘錄

共取得比測(cè)資料35 次,其中32 次為流速儀法、3 次為ADV法,常測(cè)法（0.6一點(diǎn)法）13次,占37%,多點(diǎn)法22 次,占63%。比測(cè)最大流量316 m3/s、最高水位396.76 m；最小流量1.88 m3/s、最低水位395.44 m,實(shí)測(cè)最大含沙量1.30 kg。

人工觀測(cè)水位與HADCP同步水位共摘錄179 次,最高水位396.68 m,最低水位395.52 m,水位變幅1.13 m。

4.1.2 比測(cè)資料合理性檢驗(yàn)

流速儀測(cè)流結(jié)束后認(rèn)真檢查各項(xiàng)記錄,輸入流量計(jì)算程序,點(diǎn)繪垂線流速分布圖,檢查其合理性,發(fā)現(xiàn)反?，F(xiàn)象,立即復(fù)測(cè),嚴(yán)格執(zhí)行“四隨”工序。比測(cè)資料計(jì)算正確,符合斷面特性,精度較高,通過(guò)資料審查驗(yàn)收。

4.1.3 比測(cè)資料系列

水文分析計(jì)算系列樣本最少為30個(gè),分析系列為35次,滿足水文分析計(jì)算要求。

4.2 HADCP水位分析計(jì)算

HADCP水位指標(biāo)為：水位變幅小于6 m,準(zhǔn)確度控制在±0.6 cm,水位變幅大于等于6 m,準(zhǔn)確度控制為0.1%。抽樣水位變幅1.13 m,準(zhǔn)確度應(yīng)按±0.6 cm,秦渡鎮(zhèn)（五）站水位觀測(cè)最小單位為1 cm,計(jì)算準(zhǔn)確度為1 cm,經(jīng)分析計(jì)算,179 次水位中,準(zhǔn)確度小于等于1 cm的有47 次,準(zhǔn)確率為26%。根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 138-90）第五章第二節(jié)規(guī)定,自記水位計(jì)比測(cè)不確定度不應(yīng)超過(guò)3 cm,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)小于等于3 cm的有77 次,準(zhǔn)確率為43%,水位比測(cè)值最大相差53 cm。

4.3 HADCP系數(shù)分析計(jì)算

4.3.1 均值法

選用33 次比測(cè)資料的斷面平均流速與HADCP指標(biāo)流速,按K=Vd/Vadcp式分別計(jì)算各次系數(shù),取均值,得HADCP系數(shù)為0.96。式中,K為HADCP系數(shù)；Vd為斷面平均流速；Vadcp為HADCP斷面指標(biāo)流速。

4.3.2 回歸方程法

選用33次比測(cè)資料,采用回歸方程法計(jì)算HADCP流速系數(shù)。得回歸方程為：y=0.93x,相關(guān)關(guān)系為0.99?；貧w方程見圖2。

圖2 秦渡鎮(zhèn)（五）站HADCP系數(shù)相關(guān)圖

4.3.3 相關(guān)曲線法

選用33次比測(cè)資料的斷面平均流速與HADCP指標(biāo)流速,點(diǎn)繪斷面平均流速與HADCP指標(biāo)流速關(guān)系曲線,HADCP系數(shù)為0.93。

4.3.4 HADCP系數(shù)確定

通過(guò)對(duì)秦渡鎮(zhèn)（五）站比測(cè)資料分析計(jì)算,采用均值法、相關(guān)曲線法和回歸方程法進(jìn)行分析計(jì)算,均值法系數(shù)為0.96；相關(guān)曲線法系數(shù)為0.93；回歸方程法系數(shù)為0.93,三種分析方法結(jié)果相近,綜合三種分析計(jì)算結(jié)果,秦渡鎮(zhèn)（五）站HADCP系數(shù)選用三種方法平均值確定為0.94。

4.3.5 流量小于5.00 m3/sHADCP系數(shù)分析

秦渡鎮(zhèn)（五）站低水,即流量小于5.00 m3/s以下,受灃惠渠大壩影響,形成湖面,斷面水流流態(tài)復(fù)雜,時(shí)常出現(xiàn)回流現(xiàn)象。2013 年1 月23 日,采用ADV進(jìn)行比測(cè)率定工作兩次,從比測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn),ADV測(cè)流時(shí)段選用100 s,測(cè)流方法采用2 或3 點(diǎn)法,可以消除流速脈動(dòng)現(xiàn)象,測(cè)點(diǎn)流速有負(fù)值現(xiàn)象,但測(cè)驗(yàn)斷面有流量通過(guò)。HADCP指標(biāo)流速為瞬時(shí)值,時(shí)正、時(shí)負(fù),流速極不穩(wěn)定,無(wú)關(guān)系可尋,HADCP低水系數(shù)有待進(jìn)一步率定。

4.4 系數(shù)分析檢驗(yàn)評(píng)定

4.4.1 相關(guān)曲線的三項(xiàng)檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)相關(guān)曲線進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn),即符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值的合理性檢驗(yàn),相關(guān)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為6.5%,隨機(jī)不確定度為13.0%,系統(tǒng)誤差為1.0%,檢驗(yàn)結(jié)果滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-1999）2.3-2.4要求。

4.4.2 HADCP流速系數(shù)的質(zhì)量評(píng)定

對(duì)33次比測(cè)資料進(jìn)行合理性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。最大誤差18.8%,最小誤差0%,誤差小于10%,合格率為87.9%。

5 誤差分析

5.1 流速儀測(cè)流誤差

1）測(cè)量誤差。如起點(diǎn)距定位、流速儀定位、水深測(cè)量都存在一定誤差。

2）設(shè)施設(shè)備誤差。吊箱纜道上下、左右擺動(dòng)對(duì)流速儀測(cè)速誤差,秒表計(jì)時(shí)誤差,流速儀檢定誤差等。

3）流向偏角誤差。

5.2 HADCP測(cè)流誤差

1）儀器本身系統(tǒng)誤差。聲學(xué)多普勒流速儀利用多普勒原理測(cè)量流速,所以儀器的流速準(zhǔn)確性指標(biāo)為1%。

2）儀器安裝造成的誤差。儀器應(yīng)垂直于水流方向,Vx軸垂直于自然水流,Vy為0,做到Vy為0幾乎不可能。

3）水流、泥沙等因素影響。

6 結(jié)論與建議

1）SL500型HADCP采用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量流速,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)河道水位,流量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。秦渡鎮(zhèn)（五）站測(cè)驗(yàn)斷面水流條件非常適合該儀器的使用,實(shí)現(xiàn)水位、流量在線監(jiān)測(cè)。

2）秦渡鎮(zhèn)（五）站采用吊箱纜道比測(cè)率定HADCP系數(shù),選用33 次比測(cè)率定資料,采用均值法、相關(guān)曲線法和回歸方程法分別計(jì)算HADCP系數(shù),HADCP系數(shù)為0.96、0.93、0.93,系數(shù)比較接近,綜合考慮,取其均值,秦渡鎮(zhèn)（五）站HADCP系數(shù)確定為0.94。通過(guò)誤差分析、質(zhì)量評(píng)定,比測(cè)資料精度較高,系數(shù)分析合理。

3）秦渡鎮(zhèn)（五）站比測(cè)率定最大流量316 m3/s、最高水位396.76 m,比測(cè)率定最小流量1.84 m3/s、最低水位395.56 m。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》有關(guān)條款,系數(shù)應(yīng)用幅度可延長(zhǎng)30%,流量400 m3/s。故流量在5.00 m3/s～400 m3/s之間停止人工測(cè)流,采用HADCP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。