影响H-ADCP在合江水文站应用的环境因素分析

董 畅

（广东省水文局茂名水文分局，广东 茂名 525000）

合江水文站设于1953年4月，站址位于广东省鉴江第一大支流罗江流域上的化州市合江镇塘墩村内。该站为罗江流域上的控制站，是因本地区的水情、水资源开发利用和其他国民经济建设需要而设立的。合江站附近竹林茂盛，杂草丛生，河流通航。随着城镇的不断发展，测流断面上游4.2 km处设有拦河坝1座，由于河段前期受挖沙影响，河道变化剧烈且淤沙严重。随着社会发展对水位资料要求的提高，传统的流量测验方法存在流量推球的滞后性，难以满足社会对水资源的监控需求。为了解决存在的问题，现拟用H-ADCP（声学多普勒流速剖面仪）进行实时在线测流，已展开后续比测工作。

1 测站测验环境及水流情况

测流断面（同基本水尺断面重合）为沙质河床，该站上下游河段较为顺直，测验河段右岸为土质坡地堤围，河两岸竹林茂盛，下游约50 m处有一座9孔公路大桥。原有茂盛的竹林阻碍了缆道测流的铅鱼行进方向，且合江站地处暴雨、雷电高发地区，频发的雷电和岸边的竹林对洪水期间的监测和日常的测流有着非常不利的影响。后虽然经过治理，左岸竹林得以砍伐，边坡做成水泥浆砌块石护坡，但雷电问题仍未得到解决。在暴雨、雷电期间，有时甚至必须关闭电闸以保护其他仪器设备。

2 仪器安装环境位置选择和断面稳定性分析

合江站断面河床为沙质，河段较为顺直，河床坡降平缓，2011-2013年，测流断面变幅稳定。然而从2014年起，合江站断面附近开始有居民进行挖沙活动，导致2014-2016年断面逐年加深、变化剧烈。2016年10月，当地政府取缔挖沙船，停止当地居民的挖沙活动，大断面变化又趋于平缓，为安装H-ADCP创造了有利环境。

综合考虑流速仪测流断面、测流断面上下游10 m与20 m的断面情况和周围的环境情况，为保证数据信号和电力传输的便利性，防止被盗或者遭人为破坏，便于日常维护，最终选择在水位台上流速仪测流断面位置使用导轨式支架安装仪器。

经过对多年逐日水位的分析，仪器的安装高程选在17.49 m。合江站一年大部分时间水位18.53 m，能保证仪器的有效运行。

3 环境因素影响及测流方式比较

传统的测流手段，如涉水测流或者传统的转子式流速仪，不仅极度依赖于测流环境、水流情况和河流的实时情况，还受限于天气情况对设备和施测人员安全造成的影响。涉水测流只能应用于断面较浅的河道，人员安全存在隐患，传统的转子式流速仪需要人工精确的记录和计算，并且测流时间长，对测流人员的人数有需求，无法在人数有限、天气条件不好的条件下进行。

在传统测流手段的作用下，缆道测流解决了原有的人员安全、人数限制和雨水问题，同时又存在新的问题。河面漂浮物和雷电等因素会影响缆道测流。不论是在日常河流监测还是在洪水监测期间，缆道测流都需要时刻关注河面是否有漂浮物，防止漂浮物缠绕在缆道或者上升、下落过程中的流速仪上，造成缆道、仪器的损坏。同时，缆道测流依赖于电力系统，在雷电频发的地区，防雷电装置并不能百分之百地保护测站的电力设施，只能依靠测站人员根据实际情况判断关闭电闸，待雷电情况过去后，才能重新开始测流，这对把握洪水变化情况是非常不利的。

另外，随着社会的发展，中小型水利工程的建设造成仅仅依靠水位的变化难以判定河流流量的变化。利用走航式ADCP进行实测，结果表明，受水利工程影响的河流，洪峰过后，水位不变的一段时间里，流量迅速降低。水利工程对河流流量变化的影响大，流量变化时间短，缆道测流难以把握住水位-流量关系的变化，造成人工测流的结果不准确，精度不够。

走航式ADCP是另一种利用ADCP仪器进行测流的方式，依托遥控船或缆道能够进行河流流量变化的监测。依托缆道的走航式ADCP有和缆道测流一样的弊端；而依托遥控船的ADCP，遥控船的使用是受限于河流表面流速5 m/s的，在面临大洪水测流时，其无法使用。同时，走航式ADCP在河流两岸存在大量水草、河底走沙情况严重的情况下，测流精度存在很大的偏差。水草和河底走沙都会对ADCP的测流波速产生影响，从而造成波速无法达到河底，测量结果的断面面积比实际河段断面小，且河底走沙影响测流流速的结果。该方式只有在河段水草生长不茂盛、泥沙含量较小的环境下才能得到较好的结果，不能满足现阶段的测流要求。同时，ADCP仪器设备费用较高，洪水期一旦产生意外，维修、购买费用都非常高昂，不建议用作特殊时期的测流手段。

H-ADCP在线测流可以保障人员安全，不受河面小体积的漂浮物影响。当大体积的漂浮物影响探头，或者河流含沙量过高造成测流结果有误时，测站人员可以通过平滑流量过程的方式解决数据的突变。同时，人们可以采用更科学的方式布设传输缆道和电力设备，将原有的依靠插头获取电力的方式转变为直连电箱和电闸的方式，最大限度地保障电力的传输，将雷电和周围环境的影响降至最低。通过智能采集数据，以十分钟一个的数据显示方式，人们能够轻松把握河流流量的变化，判断洪水期水利工程对河流的影响，为水库或闸门的开关提供便捷、可靠的数据，对于地方防汛有积极意义。

4 指标流速与断面平均流速关系的建立和关系曲线的检验

流速仪断面平均流速与H-ADCP系统的瞬时指标流速（100 s）两者建立关系，如图1所示。根据规范要求，对该关系线进行精度分析及三种方法的检验。

结果如下：测点标准差Se=7.5%，随机误差为15.0%≤15%，达到规范规定的精度要求；系统误差为0.14%≤±3%，达到规范规定的精度要求。

图1 TRDI瞬时指标流速-断面平均流速比测点及率定曲线

4.1 符号检验

n=60，k=31（k为正号个数），u=0.13＜1.15，认为合理符号检验通过。

4.2 适线检验

n=60，不变换符号“0”次数为25，变换符号“1”次数为34，变换符号次数大于不变换符号次数，免作适线检验。

4.3 偏离数值检验

n=60，平均相对偏离值△P=0.14%，P的标准差S=7.46，△P的标准差Sp=0.96，统计量t=0.15，|t|=0.15＜1.30，认为合理，偏离数值检验通过。

结果表明，上述三种方法对关系曲线的检验均达到规范要求，认为定线正确。

5 月平均流量精度对比分析和洪水过程分析

合江站采用测站原定的临时曲线法推算的日、月平均流量与H-ADCP后处理软件推算的平均流量进行对比分析。本文选用了资料齐全的2017年1月、2月、3月、4月、5月、6月共8个月的流量资料。月平均流量对比分析如表1所示。

由表1可知，2017年3月，合江站均处于低水期，闸门的开关对流量的影响较为明显，测验难以控制流量的变化，人工定线与H-ADCP流量相对误差较大。当4月水位上涨以后，误差减小。相对于在线监测而言，常规流速仪法测流点不能完整地控制流量变化过程，并且采用临时曲线法的推流时段不固定，造成推求的月平均流量误差更大。

表1 月平均流量对照,

6 结论

在各个流速级别，H-ADCP指标流速-断面平均流速关系通过各项检验，关系好，精度高，流量比较误差小，结果令人满意。H-ADCP测流系统无疑是一种先进的测流新设备，它具有安装简便，日常运行成本低，维护少，快捷、实时、准确的优点。对于不同水流，特别是受水利工程严重影响、河流周围环境复杂的河流，H-ADCP测流系统的应用能够解决流量测验的难题，它是现阶段测验精度最高、测验时间最短、能够保证测验效果的最佳技术手段。