水平ADCP在戛旧（二）站的比测分析

熊文华，李 诚

（云南省水文水资源局临沧分局，云南 临沧 677000）

1 比测站概况

戛旧（二）站位于云南省云县漫湾镇，是澜沧江上的干流控制站，地理位置为东经 100°28′，北纬24°36′，收集澜沧江干流基本水文信息，为漫湾电站、大朝山电站调度调蓄及下游防汛和澜沧江的水资源开发利用、水资源保护服务的国家重要水文站。戛旧水文站于 1957 年 1 月由云南省水文总站设立，2001 年 1 月由于大朝山电站调节水库回水影响上迁 8 km，称戛旧（二）站。戛旧（二）站控制流域面积为 108 475 km2，测验断面上游 3.5 km 为漫湾电站，下游 100 km 为大朝山电站。测验河段为岩质河床，顺直长约 100 m，测验断面呈“V”形，两岸边较陡，中低水河面宽在 60～70 m，高水可达 80 m以上。受上游漫湾电站的开关放水调节，水流紊乱，受下游大朝山电站回水顶托影响，传统的水文测验已不能满足整编规范要求，全年采用改正系数法推流，受人类活动影响严重。

2 比测方法

用 S5 型水平式 ADCP（以下简称 S5）与缆道流速仪法流速进行比测，用 S5 与 M9 型走航式ADCP（以下简称 M9） 流量流速进行比测，用 S5与漫湾电厂出库流速进行比测，分析泥沙、水温对S5 所测流速的影响。

S5，测量距离为 1.5～120.0 m；流速测量范围为 ± 6 m/s，分辨率为 0.001 m/s，准确度为 ± 1%；垂直波束测量水位为 18.0 m，准确度为 ± 0.6 cm（深度＜6 m），±0.1 cm（深度≥6 m）；流量为程序自动计算完成。

M9，距离测量范围为 0.06～40.00 m；流速测量范围为 ± 20 m/s，分辨率为 0.001 m/s，准确度为实测流速 ±0.25%；水深范围为 0.2～80.0 m，分辨率为 0.001 m，准确度为 ± 1%；流量为内部自动计算完成。

S5 实测的是水平层测量段内平均流速（指标流速），通过建立断面平均流速与指标流速的关系，然后利用测得的指标流速换算为断面平均流速，再将断面平均流速乘以断面面积，即为断面的瞬时流量。为找到水平流速（指标流速）～断面平均流速的关系，需要采用比测和率定的方法完成[1]。

3 比测分析

编制《云南省水文水资源局临沧分局戛旧（二）站“948”项目 ADCP 测流仪器比测工作实施方案》，在戛旧（二）站开展 S5 的比测工作。

3.1 流量比测方式

流量比测根据实际情况调整 S5 位置高度进行比测，仪器安置高度（程）为 896.90 m，比测流量49 次；仪器安置高度（程）为 895.59 m，比测流量37 次；仪器安置高度（程）为 893.20 m，比测流量36 次。

流量比测时，每次先用缆道流速仪法测出断面流量，再用 M9 测出该断面流量，然后根据测流平均时间查出电厂出库流量（用闸门开度查出泄流量加超声波测出发电流量，由电厂提供）及 S5 同步流量数据，再对比分析 4 组流量数据的相关性，最终计算出 S5 实时在线流量与断面实际流量的相关系数[2]。最后对比与高程的相关系数，综合分析确定断面流量的率定系数。

3.2 抗雷击能力分析

该仪器没有防雷能力，需要靠人工进行干预，因仪器收集资料需一直通电运行，在夜间人为无法预见是否打雷，仪器就无法得到有效保护。

3.3 水位比测分析

由于受电站调节影响剧烈，且数据量较大，选择每日 8 时的自记水位值为基准，进行 S5 的水位比测分析，如图 1 所示。经分析，误差 ≤ 0.02 m 的占24.6%，误差 ≤ 0.05 m 的占 41.9%，误差 ≤ 0.10 m的占 74.3%，误差 ≤ 0.20 m 的占 91.0%，最大误差0.93 m，引起这一误差变化是 S5 主要靠压力探头的感应测量水位，由于电站调节影响剧烈，水位涨落较大，导致某一瞬时水位与自记水位记录误差较大，作为突出点被剔除[3]。

图 1 自记水位值与 S5 水位比测差值图

3.4 S5 与流速仪法比较分析

与缆道流速仪共比测 122 次，用流速仪法测流时的断面平均流速 v断面与 S5 的平均指标流速 v指标建立关系，根据仪器安装高程分 3 个不同高度，分析点绘两者关系，如图 2～4 所示。通过分析， 不同高程 S5 的 v指标与流速仪法 v断面之间的线性关系非常显著，相关系数分别达到了 0.92～0.97[4]。不同高度相关点据相对误差 ≤ 5%，7%，10% 的合格率分别为 61.1%，80.6%，91.7%。

图 2 仪器安装高程 896.9 m 流速仪（v断面）与 S5（v指标）流速关系图

图 3 仪器安装高程 895.59 m 流速仪（v断面）与 S5（v指标）流速关系图

图 4 仪器安装高程 893.2 m 流速仪（v断面）与 S5（v指标）流速关系图

3.5 S5 与 M9 比较分析

与 M9 比测 104 次。用 M9 进行测验，施测 2 个测回共 4 次流量，取其 v断面与 S5 的 v指标建立关系。建立 S5 的指标流速与 M9 断面平均流速之间的线性关系显著，相关系数达到 0.95～0.96，绘两者关系，如图 5～7 所示。经分析，不同高度相对误差的合格率为 58%，72.0%，88.0%。

图 5 仪器安装高程 896.9 m M9（vM9）与 S5（v指标）流速关系图

图 6 仪器安装高程 895.59 m M9（vM9）与 S5（v指标）流速关系图

图 7 仪器安装高程 893.2 m M9（vM9）与 S5（v指标）流速关系图

3.6 S5 与电厂出库流量分析比较

根据电厂提供出库流量，除比测位置相应大断面面积，得电厂 v出。挑选水位较平缓时间段的比测点，建立两者关系，如图 8～10 所示。S5 的 v指标与电厂 v出之间的线性关系也显著，相关系数达到0.92～0.98；不同高程相对误差的合格率为 45.5%，81.8%，87.9%。

图 8 仪器安装高程 896.9 m 电厂（v出）与 S5（v指标）流速关系图

图 9 仪器安装高程 895.59 m 电厂（v出）与 S5（v指标）流速关系图

图 10 仪器安装高程 893.2 m 电厂（v出）与 S5（v指标）流速关系图

3.7 比测小结

通过分别建立 S5 与流速仪、M9、电厂出库流速的关系分析，三者线性关系均很显著，相关系数较大，但通过点据的离散程度分析，S5 与流速仪法建立的关系略优于与 M9 建立的关系，而与 M9 建立的关系略优于与电厂出库流速建立的关系。

经计算分析，系统误差不超过 1.0%，符合规范要求。S5 与缆道流速仪法测量测量误差平均在 2.5%左右，相关较为显著，相关系数高达 0.97，说明两者测量结果基本一致，从而说明在受水库冲放水、水位受顶托影响情况下，用 S5 测流，能基本满足规范要求。

4 误差分析

4.1 三项检验

将不同高程所比测数据进行统计分析、误差计算，其结果为三项检验都通过，系统误差都在 1%以内，符合一类精度站要求；而标准差：流速仪法关系为 6.9%，M9 法关系为 7.3%，电厂出流关系为12.6%，超出一类精度站范围要求，引起这一误差偏大的主要原因是上游受漫湾水库调蓄影响，在比测期间水位变幅较大而造成。

4.2 时段水量误差分析

以流速仪法为基准，对 S5、电厂出库流量所推时水量进行误差分析。S5 推求的时段水量相对误差在 -11.7%～5.5%，时段总平均误差仅为 0.8%；电厂出库流量为推算流量，相对误差在 5.5%～16.1%，时段总平均误差达 9.4%，偏大较多。

4.3 含沙量对 S5 的影响分析

由于 S5 是靠水体中的悬浮颗粒吸收并反射声波，所以水体中的泥沙含量多少直接影响 S5 的接收信号。通过流速仪、M9、电厂出库流速与 S5 比测，同时施测断沙及在相应单沙取样位置施测单沙，整编得到各时间段断面含沙量，在不同含沙量下对流量测验造成的影响进行分析。从指标流速中无法得出泥沙含量大小对流速测验产生显著影响。从 S5 所接收到超声波的回波信号强度，即水平、垂直方向的回波信号强度进行分析。每一行的回波信号强度都大于噪声电平，说明所比测数据在仪器测量范围内，同时说明含沙量变化在 0～0.048 kg/m3之间时，未对 S5 流量测验造成影响。

4.4 水温对 S5 影响

在比测流量时，同时对水温进行观测，以分析不同水温对 S5 的影响，比测时最高水温为 21.4℃，最低水温为 17.2℃，以 19.0℃ 为分界，分别分析在不同温度范围内水温对 S5 的影响情况。通过分析，水温在 17.2～21.4℃ 之间时，S5 信号接收正常；水温在＜ 19.0℃ 时，v指标与 v断面的相关系数为0.97；水温在＞ 19.0℃ 时，v指标与 v断面的相关系数为 0.86，说明水温低时 v指标与 v断面的关系要比水温高时好些。

5 比测成果

通过对比分析，缆道流速仪法结果与 S5 相比，三项检验及系统误差都符合一类精度站要求，且点离散程度较小，虽标准差超限，但考虑戛旧（二）站受上游漫湾电站调节影响，受下游大朝山水库顶托影响剧烈，导致比测过程中产生较大随机误差，因此标准差超限符合测站实际。通过分析，选择缆道流速仪法作为断面平均流速（y），与 S5 指标流速（x）建立的相关方程为比测分析成果，y = 0.794 4 x +0.065 5。

6 结语

S5 是一种先进的技术含量较高的测流仪器，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，并对外界抗干扰能力强，对不同水流具有较好的适应性。S5 在一定条件下，作为流量测验的手段是可行的，能够大大提高工作效率和成果质量，特别是受工程影响导致水位流量关系紊乱的测站，S5 测流是一种较好的解决方案。该仪器所收集的资料通过计算软件处理后，可对水位、流量进行在线整编，计算结果与南方片整编结果相符，满足整编规范要求。戛旧（二）站的测流工作受水利工程影响严重，认真做好 S5 流量的比测，是将来该仪器推广使用的首要前提。该仪器在使用过程中的问题和建议如下：

1）当水位低于仪器安装高程时，无法监测到水位和流速。

2）S5 遇高水时无法调试安装。如果安装钢架能进行自由升降，这样在高水也可以进行安装调试，包括对仪器进行保养维护、更换等也更加方便。S5 安装的姿态非常重要，若能在 S5 安装机座上设立一个遥控开关，在岸上用遥控就能进行调整，这样就容易将仪器姿态调整到佳位置。

3）防雷方面应该加强，最好采用先进的自动控制系统，在遇打雷时仪器能自动关闭，对仪器进行保护，最好是增加防雷设计。

4）该仪器只有 1 个探头，当仪器出现故障时，期间资料将缺测，只能通过其他方法弥补，应增加备用探头。

5）在查看实时监测数据时，要打开多个软件，并且每个软件的安装和查询界面都是英文，不便于操作使用，如果将各个软件组合成一个程序，并可选择中文，将便于人员的操作使用。

6）水位出现问题而指标流速正确时，应能用自记水位来代替，希望程序能对水位、面积进行修改。