梁志鋒LIANG Zhi-feng

（佛山市順德生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，佛山 528000）

0 引言

傳統(tǒng)水質(zhì)自動監(jiān)測站測量的是水體中各項污染物濃度的變化，從地表水的環(huán)保監(jiān)測到生態(tài)環(huán)境管理的升級轉(zhuǎn)換過程中，水質(zhì)自動監(jiān)測站的職能也從監(jiān)測水體污染物濃度演變?yōu)楸O(jiān)測污染物通量，在線ADCP 設(shè)備的應(yīng)用，是實現(xiàn)河流水體污染物通量監(jiān)測的重要手段。在線ADCP 設(shè)備安裝在水站采樣口的河流中，實時測量河流斷面的流量、流速、流向和水深狀況，通過流量與各污染因子濃度的乘積得到此空間時段水體污染物瞬時的污染物通量，對環(huán)境管理部門履行監(jiān)控水體的污染物通量和調(diào)查環(huán)境生態(tài)容量等職能起到關(guān)鍵作用。

根據(jù)設(shè)備的安裝技術(shù)要求，在線ADCP 發(fā)射出的聲波與水平和垂直方向的傾斜角最大不能超過0.5°夾角，這個水平和垂直方向的傾斜角就稱為橫搖縱搖。目前，通常是采用兩種方式來調(diào)節(jié)設(shè)備安裝時的傾斜角：一是在深度不大的水體，人進入水中，用工具扭動螺絲來調(diào)節(jié)角度；二是在岸上把在線ADCP 設(shè)備預(yù)安裝在一個支架上，然后將支架連同設(shè)備一起放入水體中，通過支架在水面上安裝位置的調(diào)節(jié)，來糾正水下儀器的安裝角度。這兩項技術(shù)都存在：難度大、危險系數(shù)高、效率低和維護量多的缺陷，而且在運行過程中，不方便適時調(diào)整夾角。

在我區(qū)的羊額水質(zhì)自動監(jiān)測站（簡稱羊額站），在線ADCP 設(shè)備采用了流量計傳動調(diào)節(jié)裝置輔助安裝技術(shù)。流量計傳動調(diào)節(jié)裝置通過長距離導(dǎo)桿對遠端水下部分的裝置做了位置可調(diào)設(shè)計，同時位置調(diào)整后又可長期固定，使得安裝后儀器可以在技術(shù)要求的微角度任意調(diào)節(jié)，達到在岸上就能夠自如的調(diào)節(jié)水下設(shè)備角度并固定的目的，實現(xiàn)長期穩(wěn)定的河流斷面流量在線監(jiān)測[1]。

1 流量計傳動調(diào)節(jié)裝置原理

在線ADCP 需要安裝在水下，要求設(shè)備發(fā)射出的聲波與水平和垂直兩個方向的傾斜角（橫搖縱搖）最大不能超過0.5°夾角，在水下開展調(diào)整夾角作業(yè)，工作難度大、危險系數(shù)高和效率低。

流量計傳動調(diào)節(jié)裝置，儀器安裝連接板與儀器固定為一體，儀器可隨安裝連接板的角度變化而變化。在儀器安裝連接板與導(dǎo)軌上固定底板間的支點連接桿上，位于儀器安裝連接板的一端采用球面結(jié)構(gòu)，儀器安裝連接板在角度變化時，可以依此為支點，保證中心位置不變。通過岸上一端導(dǎo)桿的螺絲轉(zhuǎn)動帶動儀器安裝連接板上螺絲位的變化，從而實現(xiàn)水平和垂直兩個方向的傾斜角度變化。在最后調(diào)節(jié)好滿足要求的傾斜角后，通過橫搖縱搖螺絲的兩個固定點和中間的支點連接桿固定點三個點，三點確定一平面，儀器也就固定在一個平面位置上，完全達到安裝的效果。技術(shù)員日常維護設(shè)備時只需提升儀器設(shè)備，在導(dǎo)軌的上端完成維護后再放回原處，微調(diào)后鎖定即可。

2 流量計傳動調(diào)節(jié)裝置組成結(jié)構(gòu)

流量計傳動調(diào)節(jié)裝置組成包括：儀器安裝防護裝置、長距離導(dǎo)軌、長距離導(dǎo)桿、縱搖橫搖調(diào)節(jié)螺母。儀器安裝防護裝置包括：儀器安裝連接板、支點連接桿、儀器固定底板、縱搖調(diào)節(jié)臂、橫搖調(diào)節(jié)臂。（圖1）

圖1 中，左邊圖是流量計傳動調(diào)節(jié)裝置整體形狀，右圖是局部放大后的儀器安裝防護裝置。

左圖中，A：儀器安裝防護裝置，B：長距離導(dǎo)軌，C：長距離導(dǎo)桿，D：縱搖橫搖調(diào)節(jié)螺母；

右圖中，1、儀器防護欄，2、導(dǎo)軌固定架，3、長距離導(dǎo)桿，4、儀器固定底板，5、支點連接桿，6、防護裝置固定底板，7、縱搖調(diào)節(jié)臂，8、橫搖調(diào)節(jié)臂。

為了運輸安裝方便，長距離導(dǎo)軌設(shè)計成了模塊化，每2m 一個單元，現(xiàn)場安裝時，依據(jù)具體水深和高度狀況，按需選擇數(shù)量，然后組裝成型。儀器安裝防護裝置設(shè)有專用安裝底板，專用安裝底板采用高強度耐腐蝕料制成，底板預(yù)制滿足儀器安裝的孔位，便于對接安裝。儀器安裝防護裝置有設(shè)備安全防護設(shè)計，能抵御洪水的沖刷，能防止水中的雜物損傷設(shè)備。

3 流量計傳動調(diào)節(jié)裝置在羊額站的應(yīng)用

3.1 在線聲學(xué)多普勒流量儀的安裝

根據(jù)在線ADCP 設(shè)備安裝的要求，安裝前需要先評估安裝位置即河道斷面是否滿足安裝條件有：①河道斷面水流態(tài)勢是否平穩(wěn)；②河水是否有紊擾現(xiàn)象；③河底中間部分是否有暗礁或障礙物阻擋；④河道兩邊的灘涂是否過長；⑤河流斷面水深是否滿足要求；⑥還有上下游2km 范圍內(nèi)是否存在大的支流匯入或者分支的情況等。因此，前期選點需要勘察安裝斷面的上下游及水下情況，水下情況采用走航ADCP 設(shè)備測量獲得。

羊額站采水口河道斷面位于北江流域順德水道的羊額村堤段，最大斷面寬度約680m，全年水深變化范圍在9-15m 之間，上下游2km 范圍內(nèi)無大型的支流匯入或河流分支，河道走向平緩，歷史資料查詢到河流水體流速介于0.14-0.55m/s，適合在線ADCP 設(shè)備的安裝和測量。

由于羊額站采水口河道岸右岸的灘涂寬度較大，在線ADCP 設(shè)備安裝在離右岸邊約60m 的地方，借助水中燈塔的垂直立柱采用鉚釘方式固定，整套導(dǎo)軌高度為6m，在日常的平均水位時，水下約4m 處是儀器部分。由于河面較寬，羊額站選用了300m 量程的在線ADCP 監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)走航監(jiān)測的結(jié)果，在整個超聲波到達的地方，水下均沒有阻擋物體，距離水面水底均有一段理想空間，是合適的安裝位置。

3.2 率定曲線

率定工作是指通過利用走航ADCP 測量數(shù)據(jù)與在線ADCP 測量數(shù)據(jù)建立關(guān)系曲線，校準在線ADCP 設(shè)備測量的數(shù)據(jù)，使之滿足誤差范圍的過程[2]。通常斷面平均流速與指標(biāo)流速間呈二元線性程，平均流速V 與在線ADCP 所測流速Vi 及水深H 間的關(guān)系為：V=b1+b2Vi+b3HVi （1）

上述公式中的b1、b2、b3 是常量，可通過方程回歸獲得，在進行二元回歸計算時，代表流速是第一個參數(shù)，水位與代表流速的乘積為第二個參數(shù)。

3.2.1 水位與斷面過水面積關(guān)系

水位比測是將在線ADCP 水位與ADCP 實測水位兩者之間進行比較。在線ADCP 水位是通過儀器安裝高程和儀器至水面的水深相加得到。ADCP 實測水位由儀器返回數(shù)值顯示出來。水位的高低轉(zhuǎn)換直接導(dǎo)致斷面面積的變化，也就是說，斷面過水面積也不是固定不變的常量，是實時改變的，因此需要建立斷面過水面積與水深之間的關(guān)系式。

水位與面積關(guān)系是由每次走航所測斷面面積與HADCP 所測水位高度進行二元線性擬合（圖2），經(jīng)過三年的測驗，在不同的流量或水位情況下進行監(jiān)測，得到一組斷面過水面積與水位的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涵蓋了河流的最低和最高水位，在不同的流量和水位級的情況分別采集了30 個以上樣本[3]，具有代表性和全面性，經(jīng)過回歸分析計算得到羊額站斷面H-ADCP 中水位（H）與面積（A）的線性關(guān)系方程為：A=85.025H2-1888.5H+14540 （2）

3.2.2 平均流速V 和代表流速Vi 的獲取

安裝調(diào)試完畢后，需對在線聲學(xué)多普勒流量儀進行率定，率定必須涵蓋該河道的日常水位和最高最低水位的測量數(shù)據(jù)，擬合了回歸方程，得到率定曲線。率定過程如下：

按照率定要求，首先選取了斷面的代表流速，跟據(jù)實際走航的數(shù)據(jù)分析，距離監(jiān)測儀100-150m 區(qū)間的回波信號相對穩(wěn)定，流速紊動及干擾較小，選定了100-150m 區(qū)間的流速為代表流速。開展走航監(jiān)測，斷面平均流速V 為多次走航實際監(jiān)測整個斷面流速的平均值，在線儀進行實時監(jiān)測，其測量值為代表流速Vi。通過走航ADCP 進行走航測量，同時結(jié)合在線ADCP 設(shè)備與之相對應(yīng)時間的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過二元線性擬合得到系數(shù)b1、b2 和b3。羊額站指標(biāo)流速通過H-ADCP 采集的數(shù)據(jù)在相應(yīng)的流速單元內(nèi)進行回放得到。走航ADCP 斷面平均流速的計算是通過實測流量直接得到。其計算公式如下：

本次計算選取了三年數(shù)據(jù)，流速變化范圍在線性范圍分布比較平均，水位變化范圍大，數(shù)據(jù)代表性較高，因此可以進行流量公式的擬合。

3.2.3 建立二元線性回歸方程

根據(jù)指標(biāo)流速和走航ADCP 斷面平均流速，建立二元線性回歸方程為：V=b1+b2Vi+b3HVi （4）

通過對表1 數(shù)據(jù)率定代表流速Vi 與平均流速V 的關(guān)系回歸分析，得出指標(biāo)流速與走航式ADCP 斷面平均流速的關(guān)系為：V=0.002+（0.88+0.009H）Vi （5）

表1 羊額站率定比測數(shù)據(jù)匯總表

獲得代表流速Vi 的目的就是要準確計算出斷面的流量Q，斷面流量計算方程如下：Q=AV （6）

計算斷面流量，須獲得斷面的過水面積，而過水面積又伴隨水位的高低不斷變化，因此需要獲得斷面過水面積與水深H 之間的關(guān)系式，常用公式：A=a1H2+a2H+a3 （7）

完成斷面流量的計算，首先就要理清水位、斷面面積與水位關(guān)系，平均流速V 與代表流速Vi 之間關(guān)系。建立斷面 流 量 公 式 為：Q=（85.025H2-1888.5H+14540）[0.002+（0.88+0.009H）Vi] （8）

3.3 運行維護前后誤差對比

3.2.3 中得到的流量公式，在日常的工作中得到了大量數(shù)據(jù)的驗證，準確度非常高。日常設(shè)備養(yǎng)護是把在線ADCP 設(shè)備從水中提升至水面，再進行清潔保養(yǎng)工作，然后通過導(dǎo)軌復(fù)位，通過遠程導(dǎo)桿調(diào)節(jié)橫搖縱搖角度使之與維護前相同。

從表2 可以知道，測量誤差范圍在±6%以內(nèi)，流量波動較小，而且從數(shù)據(jù)來看，流速的相關(guān)性較好，符合準確度要求。

表2 羊額站率定比測流量誤差分析表

由于流量計傳動調(diào)節(jié)裝置的使用，日常維護工作對在線設(shè)備安裝位置的變動在誤差范圍內(nèi)，維護時間非常短，沒有受到漲退潮的影響，佐證了該裝置的使用使得維護工作變得非常方便快捷，與傳統(tǒng)的安裝方式相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。誤差的來源理論上主要來自“航向測量引起的誤差”和“船速測量引起的誤差”兩個方面。

3.4 質(zhì)控數(shù)據(jù)對比情況

每月的維護工作要求完成率定在線ADCP 設(shè)備必須進行一次質(zhì)控比對工作，以走航ADCP 設(shè)備測量數(shù)據(jù)為基準進行誤差分析。表3 以羊額站2020 年和2021 年兩年率定的質(zhì)控數(shù)據(jù)進行分析。

表3 羊額站質(zhì)控數(shù)據(jù)比對表

從表3 中看出，6 次質(zhì)控數(shù)據(jù)比對誤差均在±2.5%以內(nèi)。原因分析：一是該站的在線ADCP 設(shè)備經(jīng)過幾年的率定，測量數(shù)據(jù)覆蓋了多個水位、多個流速的情況，此率定曲線具有全面性；二是證明流量計傳動調(diào)節(jié)裝置穩(wěn)定性很好，完全滿足在線ADCP 設(shè)備的長時間連續(xù)運行。

4 結(jié)論

流量計傳動調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用，有效提升在線聲學(xué)多普勒流量儀運行效率，保證在線聲學(xué)多普勒流量儀安裝方便，橫搖縱搖易于調(diào)節(jié)，運行準確穩(wěn)定，減少因安裝不當(dāng)帶來的誤差。大大方便儀器設(shè)備的維護工作，減少了不必要的水下維護工作，避免由于把設(shè)備拆除到岸上維護后再安裝帶來的數(shù)據(jù)不可比性。該裝置的應(yīng)用維持了儀器設(shè)備的準確度、測量數(shù)據(jù)的前后可比性，延長設(shè)備的運行壽命。尤其是在環(huán)保領(lǐng)域，通過準確的河流通量數(shù)據(jù)計算出的污染物通量數(shù)據(jù)，對沿岸排污口的設(shè)置和運行質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)支撐，對污染物通量的長期變化有數(shù)據(jù)依據(jù)，使得地方生態(tài)環(huán)境管理質(zhì)量更上一層樓。