闸控感潮河网 H-ADCP 测流系统建设及应用

袁福怀，林劲松

（1.中顺大围工程管理处，广东 中山 528400；2.广州易马克自动化科技有限公司，广东 广州 510600）

0 引言

国内 H-ADCP 在线测流系统在珠三角地区分布较多[1-2]，而闸控感潮河网的在线测流应用并不常见。闸控感潮河网地区河流流态受群闸启闭调度控制，流态不稳，流向紊乱，而经验调度习惯依靠水位指导工程启闭，可控性差，调度风险大，为避免调度不当引起潮水漫堤导致局部内涝，调度决策者常常通过降低河网运行水位来避免次生灾害，致使河网水动力差，水体循环无序且不畅，水环境不断恶化。如何使工程调度的决策更加科学，手段更加先进，中顺大围工程调度系统中提出在闸控感潮河网地区建设 H-ADCP 在线测流系统，以期获取关键节点实时流量信息，为水量平衡调度模型提供基础数据支撑。

中顺大围工程调度系统于 2011年10月引进了 Flow Scout600kHz 型声学多普勒流速剖面仪（以下简称流量仪）并安装使用，建设了中顺大围H-ADCP 测流系统（以下简称系统）。流量仪测量流速采用单声路，示意图如图1所示。

图1 单声路多点流速剖面仪示意图

流速仪安装在水下某一层面，工作时传感器发射声波，准确测量出该层面从左到右不同距离上，几百个流速点数据；再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、河道断面、水力学流量计算模型算出河道瞬时流量。特点是造价较低，配置灵活，适合100m 以下宽度的河道测量，但精度较低。测量示意图如图2所示。

1 系统介绍

1.1 河网概况

图2 单声路多点流速测量示意图

中顺大围位于广东省中山市岐江河流域，属珠江三角洲河网地区，中顺大围堤防工程分东西2条干堤，与南部五桂山区构成1个790km2的三角形防洪工程，沿堤近50座水闸控制着内部上百条纵横交错的河网流态，形成了封闭的流域范围——岐江河流域，岐江河干流位于中顺大围南部，西接磨刀门水道，东连横门水道，总长 39.5km，平均宽度100m，是一条人工运河，穿越中山市主城区。中顺大围东、西河水闸分别位于岐江河东西两端，是岐江河水量调度的主要工程，系大型水闸，设计流量1050m3/s，各10孔闸门，总净宽150m。中顺大围北部群闸引水先汇入平均宽约150m 的类似内陆湖的横琴海，后经约50m 宽的人工河——中部排水渠下泄，与赤洲河汇接后经狮滘河入岐江河。

1.2 站点选址

系统站点布设充分考虑引水、汇水量及空间位置，由4个固定站点和1个移动站点组成。固定站包括东河、西河、岐江河和太平4个站，东、西河站分别位于东和西河大型水闸闸内河段，岐江河站设在狮滘河与岐江河汇流口下游，太平站位于上游汇流区入中部排水渠首端。固定站点均位于中顺大围围内闸控河段，站点分布如图3所示。固定站长期在线，可实时获取不同工程运行调度模型下各站点的实时流量，通过后期数据统计和分析，得到不同调度模型下的引排水量，为模型修正和优化提供支持。移动站主要为泵站排水流量测验、其他主要水闸引排水流量率定、主要河段交叉处分流比测等服务。

1.3 系统结构

系统由前端采集、通讯传输、电源保障、数据处理等组成，总体结构如图4所示。

1.3.1 前端采集系统

图3 中顺大围测流站点分布图

前端采集系统主要由4个固定站和1个移动站组成。固定站主要满足长期在线测流需要，在环境安全、流态平稳的地点选址安装站井设施， 配置测流设备，主要由流速剖面仪、流量数据处理仪、无线数据传输模块（GPRS DTU）、直流供电系统（12V蓄电池组 +220V 变压器）、浮子式水位编码器等组成。流动站主要满足流动测流需要，测验不同潮型和调度模型下的关键河网结点的水位流量关系，以及其他中小型水闸引水、排水的水位流量关系。流动站设备主要包括流速剖面仪、电子罗盘、流量数据处理仪、压力式水位计、笔记本电脑及剖面仪固定导轨等设施。

1.3.2 通讯传输系统

通讯传输通过 GPRS 专网完成，中顺大围水文遥测系统已组建中顺大围 GPRS 专网，主要提供中顺大围水文遥测系统水位、雨量、流量信息采集传输和无线移动水情发布终端的信息接收等服务。

图4 中顺大围测流系统结构

1.3.3 数据接收和处理系统

负责固定站测流系统在线数据的接收、处理和流量数据的存储管理，配置在中顺大围水文遥测中心站流量数据处理服务器上。数据处理系统主要功能包括定时接收固定站采集系统各类数据；根据率定关系计算流速和流量；定时存储输出经过率定的流量、流速数据流到数据交换服务器，供应用系统使用；更改断面、仪器、率定关系等系统运行参数。

2 测流率定

通过测流率定获取各固定站指标流速与真实断面平均流速的相关关系，以便后续数据处理获取各站点经修正后的流速流量数据。

2.1 比测设备与方法

2.1.1 比测设备

比测工作由水文专业机构承担，选用走航式声学多普勒水流剖面仪作为率定设备。

2.1.2 比测方法

考虑到闸控感潮河段特殊的水文特征，制定了不同潮型周期、工程运行状态下的比测周期和方法。选择10个以上自然潮型潮周期的涨、平、退潮等不同潮型进行比测，其中包含当月初一、十五的天文大潮，以获取在开闸引、排水，关闸控制水位等不同运行状态下的比测结果，累计不少于30个测回，且测回间隔均匀分布。保证在比测期间，在线 H-ADCP测流设备不间断运行，获取可靠的流量仪断面流速数据；后期率定时，选择主槽部分对应区域的连续单元作为指标流速单元，这样与走航式（M9）声学多普勒流速仪测量提供的断面平均流速的相关性较好。测验时测船航速控制在 1.0～3.0m/s，按水位涨落变化布设测验，每 0.5h 沿仪器断面往返走测1个来回，记为1个测回，起始及终了位置用目测定位。若往返流量误差在 ±5% 以内，取平均值作为该次断面流量，再除以相应的过水面积，得到断面平均流速；若超过 ±5%，则增加1个测回，判断流量是否在短时间内变化较大，并根据实际情况，将测船船速控制在水流平均流速的 2～3倍；测船航迹尽量保持与断面一致。

2.2 率定结果

通过比测，西河站收集了47个测点数据；太平站收集了54个测点数据；东河站收集了56个测点数据；岐江河站收集了47个测点数据。用收集到的断面平均流速与指标平均流速建立单～断流速关系曲线，经计算机自动定线，分别得到4个站的单～断流速关系，流速变化范围均匀分布在不同的流速级，满足率定要求，站点均通过 T 检验。具体结果如表1所示。

表1 测流站点率定检验结果表

从率定结果分析来看，率定的单～断流速关系相关系数均为 0.99，通过三线检验，系统误差在规定范围内，定线精度基本符合 SL337-2006《声学多普勒流量测验规范》要求。

3 系统应用分析

在闸控感潮河网地区构建在线测流系统，国内尚无可供借鉴的成套经验，在中顺大围建设H-ADCP 在线测流系统，系统应用过程分析如下：

1）设备选型。目前专业测流水文站点，多选用双声路或多声路超声波流速剖面仪，造价高，站点选址、安装精度、测流率定、维护保养要求相对较高，运行成本大，但相对于测流精度要求较低。不用于水文整编的在线测流系统，选择单声路超声波剖面仪设备，具有造价低，配置相对灵活，选址安装便利等特点；且利用设备提供的水平旋转角和垂直俯仰角设置可更好地适应感潮河段潮差的影响，让设备处在最低运行水位下，通过仰视 1～2°获取沿断面对角线代表的不同水深剖面速。

2）站点选址。将河段平直、表面流态稳定，岸边容易固定站井的区域确定为站址待选区域河段，再用流动站在待选区域进行测流试验。通过一段时间试验后对获取的断面流速数据进行观察和分析，精确选择断面流速稳定，有效数据区间长，取数多，差错少的位置为固定站位置。

3）设备安装。充分利用设备提供的可调节水平夹角A和俯仰夹角α特性，精确获取安装后的剖面仪探头与河段垂直断面的水平夹角A（20～30°）和俯仰角α（1～2°），配置在站点流量数据处理仪上，夹角示意图如图5所示。单声路流速仪的测速原理就是利用剖面线与垂直断面的夹角获取单点流速的，原理类似于公路边车辆测速。水平夹角是设备获取剖面流速的必需参数，对于水平角调节，河道宽，夹角可以小些；河道窄，夹角要大。俯仰角的调节主要考虑感潮河段潮起潮落水位的变化，如果流速仪安装深度和俯仰角设置不合理，将影响测流数据的正常获取，在安装条件好，不易淤积的站址，站井尽量安置在水底，流速仪尽量安装在最低水位下，通过适度的探头仰角可以获取断面对角线剖面流速，此流速代表了不同水深层下的流速，东河、西河站就采取这种安装方式。如果安装条件不好，岸边水浅，也一定要将剖面仪安装在常年最低水位以下，避免探头外露无法获取流速数据，此时可通过适当调节俯角获取断面对角线剖面流速。俯仰角大小的调节与河流断面宽度有关，如果断面窄，则俯仰角大；断面宽，则俯仰角小。

图5 单声路多点流速剖面仪水平、垂直夹角示意图

4）数据处理。数据处理主要依靠流量处理软件实现，软件具备站点参数设定、断面设定、数据提取、粗差剔除、率定关系设定、流量计算等功能，可通过长时间对各站点断面流速数据的观察和分析，界定各站点有效取数的范围和原则，以获取稳定、可靠的断面流速数据参加流量计算，包括定点、整点、正负等流量计算，以及系统站点时间序列流量数据库管理和数据存储。由于测流系统服务于中顺大围工程调度系统，因此在数据处理软件里对各站点的正负流量进行了约定，规定进入水闸的水量为正流量，排出水闸的水量为负流量；自西而东，由北向南的为正流量，反之为负流量。

4 结语

以 Flow Scout600kHz 型单声路声学多普勒流速剖面仪组成的在线测流系统，在闸泵和水库联合调度中具有较好的应用价值，具有运行稳定，结构简单，造价较低，维护方便等特点。通过对1a 来群闸调度实践过程中测流数据的分析，得到了初步成果，包括不同调度模型下，岐江河站点流量变化规律，不同潮型引、排水流量变化情况，北部弱感潮河段汇水变化特点等。进一步在水动力模型演算中的应用将在下一步工作中展开。

[1] 李志敏.H-ADCP 在线测流系统在思贤滘的应用研究[J].广东水利水电，2006（5）: 14-15,18.

[2] 钟永，费凯. ADCP 在潮流量测验中的应用与分析[J].水利水文自动化，2004（4）: 35-39.