ADCP 在感潮水文站的使用

欧芳兰

（钦州水文分局，广西 钦州 535000）

0 引言

感潮水文站的流量测验包括潮水、潮洪混合及洪水等流量的测验，是由河口水流特性决定的。在测验河段，受浅海天文潮期影响显著，涨潮时潮水从近海流入河口，落潮时潮水则同河水一并从测验河段流向海洋，形成水位周期涨落、流向倒顺变动的往复水流。一般情况下，1 个潮流变化过程从涨潮流开始至落潮终了，每日整个往复流过程可划分为以下 4 个阶段：1）涨潮落潮流，当浅海潮流侵入河口之初，海水因密度较大潜入河底向上游推进，此时河口水位上升，水面坡降变缓，但上层水流方向仍指向下游，此时，在感潮河段内，流速垂线分布呈上下 2 层，上层为淡水，流向下游，下层为咸水，向上游推进；2）涨潮涨潮流，随着海水的上涨，河口水位不继上升，水面转向上游倾斜，落潮流经历憩流（即潮流速降为零）以后在整个断面上水流转向，变为涨潮流；3）落潮涨潮流，当潮波向上游推进至相当距离后，海洋中已开始落潮，河口内的水位也随之下降，此时水面比降虽趋于平缓，涨潮流速逐渐减小，但在惯性力作用下，水流方向仍指向上游；4）落潮落潮流，河口水位继续下降，水面已转向下游倾斜，涨潮流经历憩流以后，在整个断面上水流方向转向下游，变为落潮流。潮汐河口的这种水流特征，使流量与一般河流中单向水流的流量概念不同。因此河流自然流态在潮水涨、落的影响下，顺逆变化，给河流流量的测验带来很大的影响。

1 黄屋屯站感潮水文站介绍

茅岭江是桂南沿海独流入海河流，流域中上游森林植被较好，水土保持较好，水土流失较轻。

黄屋屯水文站是茅岭江重要的控制站，是广西目前唯一进行流量测验的感潮水文站，距河口约 17.5 km，潮汐影响显著，属流量 2 类精度站，控制面积 1826 km2，水位流量关系极其复杂。测验河段较为顺直，无水生植物生长。测验断面河床右岸为风化石，左岸为沙质和淤泥。潮水位变幅不大，大潮潮差 4 m 左右，水面宽在 100～120 m 之间，水深适中，最低水位平均水深 2.11 m，中泓附近水深 4 m 左右，流速较小。实测最高水位 8.78 m，最大流量 3130 m3/s，最大测点流速 2.97 m/s，历年水位变幅 9.25 m。

黄屋屯水文站 1971年6 月设站观测水位，1974 年开始在汛期进行流量测验，1978年1 月开始进行常规流量测验，主要采用传统流速仪进行施测，2005年12 月年开始使用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测量流量。

2 传统流速仪测量方法 [1-2]

黄屋屯水文站受诸多因素的影响，流量测验工作繁杂困难。洪水及潮洪混合流量测验始于 1974 年汛期，同年又进行为期 1 个月的潮流量连续测验，积累了一定数量的实测流（潮）量资料，据此分析确定断面代表线法、常测法 2 种流量测验方案。一般情况下，代表线法适合潮流量测验，常测法用于洪水流量的测验，2 种测验方案均用缆道进行施测。黄屋屯水文站的洪水流量测验和定线推流方法与一般江河站无异，潮流量推流则较为复杂。通过对大量的实测潮流量资料进行分析和检验，采用如下定线推流方法：1）点绘有效潮差 ΔZ 与实测平均流量 Q 关系，以本站高（低）潮位 Zc 为参数，绘制ΔZ-Q 关系曲线；2）根据各实测点的潮差 ΔZ，在关系曲线上查得定高（低）潮位流量 Qc，计算 Q/Qc；3）初步绘制实测潮位 Zc-Q/Qc 关系曲线，如实测点集中，定线精度达到规范要求，即可以推流，如果定线精度达不到规范要求，应修正定高（低）潮位的 ΔZ-Q 关系曲线，并重复以上步骤，直至符合要求；3）推流时，先根据各个潮流期的潮差 ΔZ，在关系曲线上查出定高（低）潮位的流量 Q，再根据相应潮流期的高（低）潮位 Zc，在关系曲线上查出流量比 Q/Qc，2 者相乘即得平均流量，再乘以涨（落）潮潮流历时，即得相应潮量。

测量特点：1）传统流速仪性能稳定；2）使用期长，价格低，一般每 2 年检测 1 次流速仪公式，就可以无限期使用；3）计算工作量大，测次多，一般 1 个潮期大约测 20 多份流量；4）测验误差大，误差来源主要是测速误差，传统流速仪流测范围一般是 0.01 m/s 以上的流速，没有流向判别。

3 ADCP 测量方法 [3]

黄屋屯站采用的 ADCP 测流主要为连续实测河道断面一定范围内的平均流速，称为 ADCP 指标流速，通过分析 ADCP 指标流速与断面平均流速的关系，根据指标流速，计算断面平均流量。

3.1 测量特点

1）方法简单，计算工作量少；2）测验误差小，有流向判别；3）性能不太稳定，每年都要进行一定数量的比测；4）使用周期短，价格高，一般使用寿命为 10 a 左右。

3.2 测量原理

ADCP 是利用向水中发射超声波束，由随水移动的悬浮颗粒反射，发生多普勒频移，通过高分辨的仪器接收、解算返回波束频率的差别得到瞬时流速。

3.3 仪器安装

ADCP 安装在起点距 34 m 处由 2 支角钢做成的支架上，架顶高于仪器 0.40 m，不露出水面，不易挂漂浮物，ADCP 测流断面位于基本水尺断面下游10 m，距离流速仪测流断面 7.5 m，仪器位置的河底高程为 -1.55 m，仪器高程 -1.05 m，仪器高程比历史最低水位低 0.53 m，距离河底 0.50 m。黄屋屯站ADCP 安装示意图如图 1 所示。

图1 黄屋屯站 ADCP 安装示意图

根据 ADCP 制造公司提供的参数，波束中心水深与最大测量单元为 1∶40，波束射角 3° 无障碍物，也就是测量距离为 80 m 时，80 m 处的水深要保证 4 m 以上。黄屋屯站历年实测最低水位为 - 0.52 m。

测量区间用 2～28 m（起点距 36～62 m），仪器高程 -1.05 m，此时仪器中心的最小水深为 0.53 m，如果仪器安装绝对水平则量程只能达到 21 m（28 m 量程需要最小水深 0.73 m）。此处河底高程为 -2.6 m，距仪器平面 1.55 m，在此量程下不受河底的影响。

由于仪器没有安装姿态调整装置，安装未达到绝对水平，有可能发射的声波打到水面或者河底，引起仪器流速测量时的干扰，在低、高水位进行波束检查，在测量范围内未见回波干扰，信号强度足够，测量范围合理，ADCP 流速数据可供使用。设置平均间隔 60 s，采样间隔 300 s。

3.4 仪器使用

黄屋屯站采用的 ADCP 是 500 kHz 定点式（横向测验）ADCP，是侧置式多普勒流速仪器，安置在河岸 1 侧，测量水下特定区域范围的层流速（指标流速），这和传统的代表垂线的作用是相同的，可以在线监测。但测量后，还须用指标流速和断面平均流速建立关系（即相关分析法或回归法），进而实现断面流量的实时监测。

仪器测量参数如下：

1）测量流速范围为 ± 6 m/s；2）分辨率为 0.001 m/s；3）精度为测量流速的 ± 1 % ；4）实测的最大水平单元长度为 120 m；5）采样间隔为10～43200 s；5）仪器记录器带有 2 MB 的存储量，可以存储 100000 个采样数据。

整个 ADCP 系统由水下探头和实时处理软件 2 部分组成，探头上部为 2 个可发射与仪器垂直方向呈 25° 角声学波束的换能器，用来测得水层段内的平均流速；实时处理软件通过仪器的 RS-232 接口可对采样频次、单元长度等参数进行设置，连接计算机时可实现水位、流速和流量的实时显示，采用自动连续测量配置模式时可以脱开计算机对流速自动连续采样并存储。由于本站没有配备专用的电脑，外接设备只有连接 12 V 的直流电源。需要数据时只要进行数据采集和输出处理即可。

定点式 ADCP 每 5 min 采集 1 个流速数据，采集的流速过程如图 2 所示。从图 2 看出，实测流速点据分布在 ADCP 流速过程线上（或 2 侧）。

图2 2006年7 月黄屋屯站实测流速过程线图

3.5 流速、流量比测和率定

用常规流速仪法对 ADCP 的实测流速、流量进行比测分析，率定 ADCP 的实测流速与断面平均流速的相关关系，求出相关系数，从而根据 ADCP 实测指标流速推求流量。

3.5.1 流速比测与率定

2006 年通过比测，将 2 种仪器的同步流速数据，使用回归分析进行计算，绘制 ADCP 指标流速vADCP与实测断面平均流速 vC关系曲线，关系曲线如图 3 所示 。回归方程式为：

相关系数 R = 0.99820

图3 2006 年黄屋屯站实测流速与 ADCP 流速关系图

从相关系数看出断面平均流速与 ADCP 所测流速有较好关系。

3.5.2 流量比测分析

2006年ADCP 流速关系率定后，2008 年共比测 2 次，比测样本包括洪水、潮洪混合和潮流量。其中代表线法流量 11 次，均为涨潮负流量，多线多点法流量测次 43 次，流量总测次 54 次。测流水位在 - 0.52～6.19 m 之间，断面平均流速在 - 0.41～2.27 m/s 之间，流量为 - 241～2200 m3/s。

2008 年比测测次主要为仪器安装后遇到的最大洪水过情，按水位级布置测次如下：3.00 m 以下有 32 个测次，3.00～4.00 m 有 8 个测次，4.00～5.00 m有 6 个测次，5.00～6.00 m 有 5 个测次，6.00 m 以上 4 个测次，各水位级分布均匀。

按流速级布置测次如下：- 0.41～0.00 m/s 有 11 个测次，0.00～0.50 m/s 有 7 个测次，0.50～1.00 m/s有 7 个 测 次 ， 1.00 ～ 1.50 m/s 有 10 个 测 次 ，1.50～2.00 m/s 有 9 个测次，2.00 m/s 以上 6 个测次，各流速级分布均匀。

按 ADCP 指标流速分段：1.58 m/s 以下有 34 个测次，1.58 m/s 以上有 20 个测次。

2008 年比测收集的流速流量资料比实测最低水位高 0.01 m，比实测最高水位低 2.84 m，各水位级、流速级分布均匀，点据足够，定点式 ADCP 从安装至今流速采样正常，记录完整，满足关系线分析的要求。比测关系如图 4 所示。从图 4 看出，实测流量与 ADCP 计算流量关系良好，可直接采用。

图4 2008 年黄屋屯站实测流量与 ADCP 流量关系图

3.5.3 流量资料整编成果误差分析

黄屋屯站在不受洪水影响情况下用定潮汐要素法推流，洪水及洪潮混合时按连时序法定线推流。比测期间只有 1 场洪水，起始时间为 2008年8月7日 18时 6 分，结束时间为 8月11日 5 时。使用 ADCP 计算的与人工定线推算的次洪水量进行比较，次洪水总量误差为 0.41 %，最大流量误差为 - 0.46 %。具体误差统计如表1 所示。

表1 次洪水洪量误差统计表

3.5.4 率定资料质量评定

用复合线性关系式计算流量误差统计：系统误差为 0.61 %，标准差为 3.40 %，不确定度 6.80 %，达到 SD121-84《水文缆道测验规范》的流量测验精度要求。

根据 SL337-2006《声学多普勒测流规范》的相关规定：采用横向法的自动监测站，其流量测验精度应满足 SLl95-97《水文巡测规范》要求。

SLl95-97规定：不能进行单值化处理的非单一水位流量关系线的 2 类精度的水文站，次洪水总量误差小于 6 %。ADCP 测验次洪水总量误差为0.41 %，达到 1 类精度水文站测验精度要求。

4 测验方法比较

1）采用 ADCP 实时测流，每 5 min 采集 1 个数据，直接采用连实测流量过程线法推流，避免了传统流速仪测法定线推流，减轻了水文站测流压力，同时也简化了传统定线推流的复杂性，减少了查图的任意性，降低了推流误差。

2）传统流速仪测速分辨率为 0.01 m/s，ADCP 测速分辨率为 0.001 m/s；ADCP 测速分辨率更接近涨（落）潮憩流时流速，测验精度大大提高。

3）传统流速仪无流向判别，测潮时只能测水面流速，目测流向；ADCP 能测特定水层的指标流速，测速范围 ± 6 m/s。

4）采用 ADCP 实时测流，只要建立指标流速和断面平均流速关系，就能实现断面流量的实时监测，实现实时在线及遥报流量。

5 结语

水位对 ADCP 指标流速与断面平均流速的相关关系式有影响，高（低）水相关关系不同。比测试验结果表明：黄屋屯站的 ADCP 的位置和采样区域主要在一定范围内，其代表性良好，相关关系式按流速分为 2 段可满足流量测验精度。黄屋屯站用ADCP 进行的潮流量比测结果表明，对流量变化相对比较规律的感潮水文站来说，定点式 ADCP 是比较适合使用的，其测量成果既达到流量测验的精度要求，又减少了工作量，对这类水文站来说，这种仪器是比较适用的测量设备。若该设备使用稳定性能提高到常规流速仪的水平，则更好。

[1]水利部. GB50179-93 河流流量测验规范[S]. 北京：中国计划出版社，1993: 17-40.

[2]中国水电出版社. SL247-1999 水文资料整编规范[S]. 北京：中国水电出版社，2000: 45.

[3]中国水电出版社. SL337-2006，声学多普勒流量测验规范[S]. 北京：中国水电出版社，2006: 2-12.