奉化江北渡水文站H-ADCP流量自动监测设计

2019-06-18孙德勇张沈阳

浙江水利科技 2019年3期

孙德勇，郑汲，张沈阳，谢敏

（1.浙江省河海测绘院，浙江杭州 310008；2.宁波市三江河道管理局，浙江宁波 315020）

1 问题的提出

北渡水文站位于奉化江中上游，水文实测流量资料较少，感潮影响下的报汛及流量整编工作还不完善，常规的水文流量监测方法只能在测验期间监测流量，极大地影响水文工作的开展。随着声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Prof i ler，简称ADCP）的普及，越来越多的H - ADCP应用于流量监测，相比传统的监测方法，H -ADCP具有全天候、全天时、高精度、自动、快速、低成本等优点。

近年来随着H - ADCP流量自动监测站的建立，相关研究也在逐步开展[1-3]，这为北渡水文站流量自动监测站的建立提供理论和实践依据。本文从H - ADCP流量自动监测原理出发，分析站址断面地形、仪器安装位置、指标流速区域选择及指标流速与断面平均流速的率定等建站设计要素，论证在北渡水文站建立H - ADCP流量自动监测站是可行的。

2 北渡水文站概况

北渡水文站设立于1965年，为国家基本水文站，位于奉化江中上游，处于感潮河段。北渡站断面左右岸较浅，中间为深槽，断面长度约130.00 m，其最深点高程为-11.00 m。自建站以来，历史最高潮位为3.38 m，历史最低潮位为-1.48 m，多年平均高潮位为1.23 m，多年平均低潮位为-0.31 m，潮差较小；断面含沙量较小，不超过 1 kg/m3。

3 H - ADCP简介

3.1 监测原理

H - ADCP采用多普勒频移的物理原理来测量水流的速度。测量原理是：如果声源与接收声波物体之间的相对距离发生改变，物体接收到的声波频率与声源发射频率会产生一个差异，即多普勒频移，公式见式（1）。

式中：Fd为声学多普勒频移，Hz；Fu为声源发射频率，Hz；V为声源和接收物体之间的相对速度（当声源与接收物体之间的距离减小，表现出的速度为+），m/s；C为声波传播的速度，m/s。

3.2 工作特点

Channel Master 型 H - ADCP仪器由美国 Teledyne RD Instruments（简称 TRDI）公司生产，采用宽带ADCP专利技术，可安装在河流或渠道的岸边，向水体中发射超声波，实时在线采集高质量的流速、水位、流量数据（见图1）。该仪器有3种型号：300，600，1 200 kHz，测流主要技术指标见表1。

图1 Channel Master 型H-ADCP及其安装示意图

表1 H - ADCP流速剖面测量(宽带技术)主要技术指标表

4 流量自动监测工作设计

4.1 H-ADCP流量自动监测原理

H - ADCP被设计成安装在水下的建筑物上，以水平方向工作，其流量自动监测原理为：处于同一水平面的2个波束探头向平行于水面方向发送超声波，测得某水平层的流速（指标流速），垂直波束用于测量系统换能器表面到河道水面的距离即水位，根据仪器安装位置所在断面的几何形状（水位—面积关系）和断面平均流速即可算出即时流量，断面平均流速与某水平层的流速关系可由指标流速率定方法确认。计算关系见式2。确定参数关系后即可实现流量的自动监测。

式中：Q为流量，m3/s；A为断面过水面积，m2；V为断面平均流速，m/s；V = f （VSL），其中：V为断面平均流速，m/s；VSL为指标流速，m/s。

4.2 H-ADCP流量自动监测参数分析

4.2.1 安装位置

通常H - ADCP安装在水深中间的位置，这样可以使它不受水面和河底的干扰，根据历史最低水位和多年平均低潮位，结合水文站建站位置，一般来说，可把仪器安装在历史最低水位以下1.00 ~ 2.00 m的位置（见图2）。

图2 H-ADCP拟安装位置图

H - ADCP安装位置(高程)确定后，结合垂直波束测出的水深即可算出当前水面的水位，利用水位—过水面积关系可算出当前水位下的断面过水面积。

4.2.2 水位—过水面积关系

2016年11月、2017年4月、2017年11月对北渡站进行断面地形测量，结果见图3。

图3 北渡站断面图

根据断面地形数据，结合历史最高和最低水位，对每1 cm进行过水面积计算，对水位 — 过水面积数据点进行回归分析，得出水位 — 过水面积关系：

2016年11月：y = 6.572x2+100.1x +596.7 R2=1 x为水位，m；y为过水面积，m2；

2017年4月：y = 6.623x2+100.0x +587.2 R2=1 x为水位，m；y为过水面积，m2；

2017年11月：y = 6.621x2+100.0x +587.2 R2=1 x为水位，m；y为过水面积，m2。

由上可知：北渡站断面地形变化较小，水位—过水面积关系较为稳定，适合断面平均流速与指标流速的率定。

4.2.3 指标流速区域选择

指标流速区域的选择直接影响指标流速与断面平均流速关系的建立，从而影响流量监测的准确性，被指标流速区域覆盖的自然区域，流况应具有相当的稳定性。2016年11月、2017年4月、2017年11月利用走航式ADCP进行大、小潮水文流量监测[4]，其监测次数分别为63、57和57次，共计177次，获得相应时刻断面流速分布情况和断面平均流速。通过实际测量距离和流速质量来判断指标流速的选取区域，选取10 ~ 30，30 ~ 50，50 ~ 70，70 ~ 80 m等4个流速单元作为指标区域，分析指标区域平均流速与断面平均流速的相关性，进而得到指标流速最优选取区域，相关性见图4。

图4 各指标区域流速与断面平均流速相关性图

由图4可知，各指标区域流速与断面平均流速相关性较好，10 ~ 30 m相关性为0.990，30 ~ 50 m为0.992，50 ~70 m为0.988，70 ~ 80 m为0.965。指标流速最优选择区域为30 ~ 50 m，H - ADCP在该区域测得的指标流速能与断面平均流速建立更为准确的率定关系。

4.2.4 指标流速与断面平均流速关系

北渡水文站断面地形稳定，指标流速与断面平均流速的相关性较好，待建站后适合利用走航式ADCP开展H -ADCP指标流速与实测断面平均流速关系的率定工作，率定数据应在高、中、低水位及不同流速级均匀分布。关系曲线确定后需进行定线精度分析和三线检验，符合参考文献[5]要求后认为定线准确。

4.3 采用仪器设备

结合北渡水文站建站环境和H - ADCP技术指标，可选取600 kHz H - ADCP，仪器软件可采用H - ADCP配套使用的流量数据实时采集和回放的操作软件（WinH -ADCP）。

通过该软件可设置：仪器采样间隔为300 s，平均时间为60 s，测流单元大小为0.5 m，测流单元个数为180，指标流速所选区域为离岸边30 ~ 50 m，仪器安装位置为- 2.50 m（1985国家高程基准），所在断面水位面积关系为y =6.621x2+ 100.0x + 587.2（x为水位，m；y为断面过水面积，m2）。