浮标式无人值守流量测验方式的探索

2016-12-02钟红伟广东省水文局马口水文站

珠江水运 2016年16期

关键词：比测测流垂线

◎ 钟红伟　广东省水文局马口水文站

浮标式无人值守流量测验方式的探索

◎ 钟红伟广东省水文局马口水文站

采用哨兵式600K ADCP在三水站进行代表线垂线平均流速实时监测，通过与走航式ADCP同步测流进行验证，建立代表线垂线平均流速与断面平均流速关系，结果表明能满足测验精度的要求，适宜在珠江三角洲网河区受潮汐要素影响的站点推广应用。

哨兵式600K ADCP 垂线平均流速实时监测代表线法验证珠江三角洲推广应用

1.前言

我国的珠江地区水资源丰富，水系分布较多，而且受到上游来水与下游潮汐的影响作用，再加上当地人民不断破坏生态环境，从而导致当地的水流运动情况非常复杂，而采用传统的水文观测技术不仅数据测量的准确性较差，且观测技术人员的工作量较大，因此无法对水文资料数据进行全面收集与记录。针对这种情况，我国广东省水文局佛山分局2008年2月25日向水利厅科教处申请采用无人值守浮标自动在线流量监测项目，于2008年12月17日得到上级批准立项。本项目立足于先进仪器和非常规测验方式相结合，改变传动的流量测验方法，采用哨兵式600K ADCP与浮标相结合，安装在三水站进行应用研究。

2.浮标式无人值守流量测验系统原理

通常而言，浮标式无人值守流量测验系统简称为ADCP，这一技术系统在工作运行时主要结合声波频率的变化情况，通过对相关的数据进行分析，从而对水文现象进行分析判断。在实际的观测过程中，技术人员主要利用多普勒频移原理对不同数据观测点的观测结果进行分析。一般而言，当技术人员在声源移向部位进行数据观测时水位变高，而在声源远离处进行观测时，水位变低。在此变化过程中水位的高低变化同样也会引起水流量与水流速的变化，在这一数据监测系统中，通过数据转化器将数据发射功能与数据接收功能结合在一起，技术人员因此根据每一个固定的声波频率对水体中的泥沙以及气泡等颗粒物散射传输回来的声波进行识别和判断。如果水体流速=水体中的颗粒物，因此水体中的泥沙以及气泡等颗粒物移动接近转换器时，接收装置中接收到的数据频率要高于发射器的数据发射频率；当水体中的泥沙以及气泡等颗粒物移动背离转换器时，转化器中接收到的信息数据频率要低于发射器中发射数据的频率，因此从这一运行变化原理中可以看出，浮标式无人值守流量测验系统的发射频率和回波频率之间存在，

其中：

v—颗粒物沿声束方向的移动速度，m/s

c—声波在水中的传播速度，m/s

浮标式无人值守流量测验系统的声波换能器位于同一水平面，因此在实际的数据检测过程中主要通过指标流速法自动监测水道断面流量。这一技术的主要运用原理是根据水道断面的局部流速推断水道断面的平均流速。通常情况下利用单点流速推断水道断面的平均流速，而指标流速采用垂线平均流速进行表示。本次观测试验时充分根据水道断面具体情况，将历年标准监测位置840米作为本次试验监测的基点，主要利用浮标式无人值守流量测验系统对水深10m～15m处的水道断面进行观测分析，指标流速选用该断面垂线平均流速进行表示。

3.三水水文站概况

三水水文站位于广东佛山珠江三角洲网河区顶部，是我国一类重点站之一，同样也是北江进入三角洲的控制站，监测项目主要有水位、流量、降水、悬移质泥沙与颗粒分析等，是典型的潮洪混合站，汛期受北江上游洪水影响，枯季受潮汐要素影响，汛枯相连季节受潮洪混合影响。汛期一般采用走航式ADCP或流速仪12条垂线2点法施测洪水流量，采用水位～流量关系曲线推流；枯季的潮流量测验采用组合方式代表线法施测，根据多年的代表线验证，选用起点距为840米的垂线位置，潮流量测验一般采用流速仪2点法逢整点施测，在转潮附近和负流部分逢30分钟加测一次，测速历时均大于100秒。

三水水文站测流断面位于基本水尺断面下游约380米处，断面主槽为规则U型，两岸有较大的滩地，主槽受上下游挖沙和水流冲刷的共同影响，近几年有明显的下切趋势，同级水位下流量逐年增大，枯季涨潮流有逐年增大的趋势，引进浮标在线自动测流系统主要解决枯水期潮流量测验，替代目前使用代表线流速仪船测的方法，并且能较好地反映整个潮流的变化过程，对资料质量有一定的提高。

4.浮标式ADCP在线测流系统的安装调试

4.1浮标式ADCP在线测流系统的安装浮标式ADCP在线测流系统为骏马牌哨兵型600kHzADCP设备。丰水期，在设备安装时将这一设备安装于测流断面中，枯水期仪器安装距离测流断面右岸间隔100米，通过直径与长分别为Φ250mm与45m的锚链，在测流断面的上下游各抛二个一吨重的水泥沉块，把浮标固定在本站测流断面起点距840米处，水流流动和水面风向基本不影响浮标在断面的位置。安装完毕，将哨兵型ADCP数据线、GPS数据线、GPRS通讯线及其他辅助设备线连接到数据采集器，接通各个设备的电源。

表1　比测误差统计

表2　时段潮量误差统计表

4.2浮标式ADCP在线测流系统的参数设置

结合当地具体的水文情况，对哨兵型浮标式ADCP在线测流系统软件相关运行参数进行科学设置：

哨兵型ADCP入水深度：1.0m

浮标式ADCP在线测流系统指标流速采样单元参数为0.5m

浮标式ADCP在线测流系统最大单元层数设定为40

浮标式ADCP在线测流系统采样周期与采样间隔分别设定为10s与1800s。

5.比测率定分析

5.1测验方法

5.1.1流速

采用传统的悬索流速仪定点法，根据ADCP仪器设定的时间同步进行流速比测，以常规流速仪法测得流速为准。

5.1.2流量

根据哨兵型ADCP设定的测验频率，对流量测验时利用船载走航式ADCP在线测流系统进行同步测验分析。结合实际的水流情况，选择恰当的时间段进行观测分析，1.0m/s～3.0m/s为测船航速。汛期与枯水期分别按洪水涨落情况与潮别类型进行科学测验分析，流量测验沿本站测流断面往返走测一个完整的周期，目测估算起始位置与终了位置。在此测验过程中，一个完整的往返流量误差需要严格控制在±5%范围内，该断面流量取其平均值，计算断面平均流速时还需要采用平均值再除以过水面积；如果测验指标误差超限，则需二次返测，以此判断短时间内流量变化情况。流量测验的目的是取得该次流量相应的断面平均流速，与浮标固定式ADCP所测的垂线平均流速建立关系。

5.1.3潮流量

选取本站进行潮流量组合测验（流速仪法）的资料成果与浮标式ADCP测流系统的资料成果进行比对，分别计算潮期潮量，以分析总水量是否平衡。

5.2浮标式ADCP在线测流资料整理分析

5.2.1浮标式ADCP在线测流流速比测分析

流速比测时要选择不同水流条件下的检测时段，按照常规流速仪法测得垂线平均流速为准，与哨兵型ADCP同步流速比对，比测误差如表1所示。结果是令人满意。

5.2.2流量率定分析

2009年9月～2010年3月期间，组织人力进行流量实时比测，比测成果见下表。本次率定测验工作共收集83个测次，流量率定期间水位变幅为-0.35m～0.87m，-0.23m/s～0.45m/s为断面平均流速变幅。这一变化幅度采用计算机定线和误差分析统计，结果表明定线精度符合具体的标准要求。

5.2.3潮流量分析

选取2009年10月18日至11月4日潮流量组合测验资料与同期浮标式ADCP测流系统的资料进行对比，时段潮量误差见表2。

根据上表资料的分析，个别潮期潮量略有差别，主要是计算时间和代表线关系不同造成的；但对于整个潮期来说，涨潮量误差为3.2%，落潮量误差为0，净泄量误差为-1.4%，水量基本平衡，大大小于水文规范规定的±5%的误差，完全满足水文规范的要求。