H-ADCP在太湖流域平原河网地区的应用技术探讨

徐卫东 ，毛新伟 ，俞晓亮 ，林其彬

（1.太湖流域水文水资源监测局，江苏 无锡 214024；2.无锡太湖国家旅游度假区规划建设局，江苏 无锡 214024）

0 引言

太湖流域地处长江三角洲南缘，滨江临海，是我国经济最发达、城市化程度最高的地区之一。流域内平原河网地区水网错综复杂，上下游比降极小，流速缓慢，部分河道受潮汐影响明显，流向往复不定，因此在流域平原河网地区实现水量精确监控难度很大。随着经济社会的发展，太湖流域水文部门需适应经济社会的发展要求，应用适合平原河网地区的先进的流量测验工具和技术方法，提高水文测验的精度。

太湖流域水文水资源监测局从 2005 年开始引进固定式多普勒测流仪（H-ADCP）测流技术，先后在太湖流域的太浦闸、张桥和金泽水文站使用，目前仪器运行稳定、数据可靠。本文以太浦闸水文站H-ADCP 的应用为实例，对 H-ADCP 在平原河网地区应用过程中所要注意的主要技术问题进行探讨。

1 H-ADCP 简介

H-ADCP 是利用声学多普勒原理测量水流流速剖面的水平声学多普勒流速剖面仪，通过测量代表流层的流速（指标流速），再通过大断面资料推算得到断面流量[1]。工作时利用声波换能器作传感器，通过向水中水平发射固定频率的短脉冲，脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收回波信号，经测定多普勒频移而测算出该水平层的流速，与计算机系统集成在一起可实现在线实时监测河流断面的流速流量过程[2-3]。H-ADCP 操作较为简便，一般安装在测流断面岸壁或河床底部，适合在流向往复不定、河流条件复杂的断面上进行流量测验。

2 太湖流域 H-ADCP 安装技术要求

2.1 安装断面选择

H-ADCP 仪器安装具有一定的局限性，河床受冲淤影响严重（每次测流时需要实测断面）、河床生长水草、河流泥沙含量高、水位暴涨暴落的断面，需要审慎应用 H-ADCP 测流技术。太湖流域平原河网河流泥沙含量不高，基本没有水位暴涨暴落的现象，除少部分河道断面水草生长茂盛外，大都满足 H-ADCP 安装使用条件。如需要在水草茂盛的河道安装，需定期对测流断面进行清理。H-ADCP安装位置一旦确定下来，要尽量保持不变，保证仪器固定地对同一个流层（或垂线）进行监测，使所测流量系列具有较好的一致性。

2.2 H-ADCP 选型

太湖流域使用的 H-ADCP 按照测速声学频率划分，目前有 3 种，分别是 1200，600，300 kHz，具体技术指标比较如表1 所示。

表1 不同型号 H-ADCP 技术指标比较表

在仪器选型前，应先调查清楚仪器安装断面的基本水文情况，包括大断面，最高、最低、常水位，河床地质，最大、小流速，水温范围，泥沙状况等资料，再根据仪器的技术指标及实际断面情况进行选型。

选型时首先考虑最大剖面宽度指标，一般选择的仪器的最大剖面宽度大于 1/2 断面宽；其次考虑盲区、最大采样速率、最小单元长度等技术参数，盲区越小越好，采样速率越高越好，单元长度越小越好。

以太浦闸水文站断面为例，该断面按实测最低水位水面宽 180 m，按实测最高水位水面宽 185 m，断面呈宽浅形特征，主槽在 68～128 m 之间。断面河底主要成分为硬泥，断面受冲刷影响很小。最大水深超过 6.00 m，最高水位 5.00 m，最低水位 2.20 m，正常水位 2.50～3.50 m，最大流速 1.50 m/s，最小流速 0.00 m/s。 故太浦闸水文站宜选择 600 kHz 的H-ADCP 仪器。

2.3 换能器位置的选择

H-ADCP 换能器的位置安装是关键，一般可在AutoCAD 软件上绘制测量断面的大断面图，以最低水位确定水面线，假定换能器安装位置，然后根据波束角绘制波束发射的范围。如果波速发射范围超出河床或水面范围，应重新调整换能器位置，然后再计算，直至出现合适的安装位置。如果总是不能得出合适位置，可对断面进行开挖，重新测量大断面后，再计算出合理位置。

以太浦闸水文站 600 kHz 的 H-ADCP 为例，实测最低水位 2.20 m 为限制，波束角为 1.5°，先假定将换能器安装在断面某一位置，经过 AutoCAD 软件计算得出，波速发射范围超出河床或水面范围，调整位置后，重新计算，还是超出范围，最终只能选择开挖断面，重新测量、计算得出换能器安装位置（起点距 10.0 m，高程 1.75 m），换能器的安装位置示意图如图 1 所示。

图1 太浦闸水文站 H-ADCP 换能器的安装位置示意图

2.4 水位数据的引用探讨

H-ADCP 具备水位测量的垂向波束，但易受水中漂浮物和水生动植物的影响，水位测量精度将无法保障，因此可采取将水文站已有的自记式水位计的数据，通过采集平台上的 RS-232 接口，传输给H-ADCP 测流软件的方式，使 H-ADCP 流量计算直接引用浮子水位计数据，提高水位测量精度。

3 H-ADCP 的比测及参数率定

H-ADCP 在线实时测流分为以下 3 步：1）建立 H-ADCP 测量指标流速与整个断面平均流速的关系；2）确定过水断面面积；3）通过平均流速与断面面积计算出断面流量。第 1 步是关键，此关系的建立与 H-ADCP 流速单元的选取、工作参数的设置等有直接关系。

3.1 指标流速的选择

指标流速选择是指选择稳定的流速，但稳定的流速受水流条件限制而各不相同。指标流速的选择是比测的关键。一般情况下，选择稳定指标流速的方法有以下 2 种：

1）图解法。选择不同水流条件下的流量测次，样本数大于 30 个，通过回放每个测次的回波强度的图像，选择 30 个测次中某段回波强度衰减最小的范围，用该范围流速作为指标流速vi。例如图 2 中，回波强度曲线 I 在 40～60 m 处出现了较大的波折，故指标流速选择范围仅能在 0～40 m 内选择；图 3中，回波强度曲线 II 较平滑，故指标流速的范围是0～90 m。

图2 H-ADCP 回波强度曲线 I

图3 H-ADCP 回波强度曲线 II

2）数列统计法。挑选不同水流条件下的流量测次，样本数大于 30 个，将每个流量测次中单元体流速列出，对所有单元体流速数据进行数列统计中的离散性分析，综合 30 个样本的结论，找出指标流速的范围。

3.2 大断面的确定

H-ADCP 流量计算可直接采用水位数据读取相应的大断面数据。因此，在流速比测前需进行大断面测量，然后根据大断面资料，计算出不同水位系列对应的断面过水面积系列，用断面过水面积 A 与水位 Z 建立关系，即 A = ƒ (Z)。由于河道断面是稳定的，通过读取水位就能确定过水断面面积。

3.3 流速相关参数率定及测流断面流量的计算

平均流速v是指测流断面的平均流速，一般可以采用同一断面上流速仪法或走航式 ADCP 测流法得到。充分考虑不同水位和流量级对水位流速关系的影响，获取不同水情情况下的比测资料。得到同一时刻 H-ADCP 的指标流速vi及全断面的平均流速v。比测数据可采用专业的数据处理软件进行率定，运用多种回归方程进行比较分析，通过相关系数、系统偏差、不确定度等指标最终确定回归方程和相关参数。相关参数的率定应在不同水情条件下进行多次比测，并需在实践中进行检验，率定结果的好坏直接影响 H-ADCP 测流精度。太浦闸水文站流量比测相关参数率定图如图 4 所示。

图4 太浦闸水文站流量比测相关参数率定图

经多次比测后，建立指标流速vi与断面平均流速v的相关关系，即v= ƒ(vi)；再根据断面面积，计算断面流量 Q，即 Q = vA = ƒ (vi) ƒ (Z) 。

3.4 误差分析

太湖流域使用的 H-ADCP 仪器指标中的理论单次测量误差 ≤5%。除河道偶然因素的影响外，测量误差来源主要有以下 2 方面：1）断面面积，测量误差一般超过 3%；2）平均流速，平均流速由指标流速计算得出，指标流速仅为全断面稳定流态的一部分流速，故平均流速误差估算在 2.5% 左右。综合考虑，H-ADCP 的单次流量误差会超过 5%，与流速仪法及走航式 ADCP 测流误差基本相当[4-6]。由于H-ADCP 具有连续测量的功能，仪器可设定为几分钟测量 1 组数据，并能够实现流量在线监测，取其平均值可大大提高逐日流量的测验精度，特别是在平原河网感潮河段。

4 结语

H-ADCP 仪器安装及相关参数的率定直接影响流量测验精度，在应用中要根据断面实际情况，正确安装使用，并需大量比测确定相关参数，提高测量精度。太湖流域平原河网地区大多河道水流缓慢，虽然 H-ADCP 单次测验精度相对不够高[7]，但能够实现在线监测，测验频次大大提高，对于解决太湖流域因潮汐影响导致河水流向往复不定、水利工程建设速度较快导致水流受调度影响大等难题具有较好的效果。因此，应当在平原河网地区的水文测验工作中大力推广应用。

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