信都水文站水平式ADCP在线测流系统比测分析

吴燕梅，杨吉护

（贺州水文中心，广西 贺州 542899）

1 测站概况

1.1 基本概况

信都水文站位于贺州市八步区信都镇杨家村，集水面积6380 km2，属于珠江流域西江水系贺江中游河段上的国家重要水文站和大河控制站，一类测验精度水文站。测验项目有降水、水位、蒸发、流量、岸温等。测验河段顺直，主流稳定，基本断面呈不规则U 形，两岸较高，在水位54.96 m 以上时，左岸出现漫滩。河床由砂卵石组成，左岸为粘土，右岸为卵石护坡，靠右岸部分河床有水草生长，不易冲淤。基本断面上游7 km有合面狮水电站，1974年建成，合面狮水库有季调节功能，总库容2.96亿m3。合面狮电站的出库流量调节对信都水文站断面的水位、流量有较大影响，特别是在枯水期，影响尤为显著。

1.2 水文特征

因受合面狮电站开关闸影响，水位涨落较快，与自然河道有较大差异；信都站多年平均水位为47.12 m，非汛期为46.85 m，汛期为47.44 m。历史调查最高水位为1908年6月的55.14 m，实测最高为2002年 7月 2日的 55.08 m，流量为 7320 m3/s，最大流速为4.20 m/s。实测最低水位为2011年2月1日的45.85 m，除1974年3月16日受合面狮电站工程建设影响为0 外，最小流量为2011年2月1日的0.85 m3/s。

2 仪器设备情况

2.1 仪器引进的目的

自合面狮水电站蓄水以来，信都水文站正常流量测验受电站蓄、放水影响严重，水位流量关系复杂，大大增加了水文测验与水情预报的工作强度。采用传统的缆道流速仪法施测流量，不但耗时长，而且劳动强度大，难以掌握受水利工程影响下水位流量关系变化情况。信都水文站为巡测站，由贺州水文站（中心水文站）负责统筹管理，日常测站运行维护及水文监测较难兼顾，因此在信都站实现流量测验自动化极为迫切。

基于以上考虑，贺州水文中心于2016年11月引进了TRDI CM600水平式ADCP（以下简称水平式ADCP）测流系统，并安装于信都水文站基本测流断面，经安装调试完成后，与缆道流速仪法等传统测验方法进行比测。

2.2 仪器测流原理

水平式ADCP采用声学多普勒频移原理来测量水流的速度，如果一个声源与接收声波物体之间有相对运动时，接收声波物体所接收到的声波频率与声源发射的声波频率之间有一个差异，即有一个多普勒的频移。TRDI CM600水平式ADCP是TRDI公司新一代ADCP 产品。它结构紧凑、标准配置高、功能强、适用范围广。主要技术指标见表1。

TRDI CM600 水平式ADCP 有3 个声学波束（如图1），安装在水下一定深度的某个位置（通常是在水道中），3 个波束中的一个是垂直方向发射的，其余的两个波束是水平方向指向水道发射。垂直向上的波束测量水位。两条成一定角度的水平波束，通过多普勒方法以二维的方式测量流速。然后测量得到的实时水位、流速（指标流速）等信息（结合水道几何图形），结合水位～面积关系、指标流速～断面平均流速关系等相关率定分析成果，最终计算得到实时断面面积、断面平均流速，以及实时流量过程，达到在线测流目的。

图1 TRDI CM600水平式ADCP应用示意图

表1 TRDI CM600水平式ADCP主要技术指标

2.3 仪器安装调试

信都站的水平式ADCP换能器安装在基本水尺断面兼流速仪测流断面右岸距离水边约40 m 的钢质固定桩上，起点距330 m，安装高程为45.73 m（见图2），通过电缆穿过水位台连接放在水位台内的采集器终端，得以实现实时监测河道水流指标流速。安装调试好的仪器横摇和纵摇分别为-0.8°、0°，均在±1°范围内。在设计水位时，可以获得120 m的测量范围，可有效覆盖主流位置。

图2 信都站水平式ADCP安装平面示意图

3 ADCP流速资料分析

3.1 流量比测情况

比测是用常规流速仪法所测断面平均流速Vm（简称平均流速）与水平式ADCP 的实测流速Vi（简称指标流速）进行比较，常规（传统）流速仪法的测验方法执行《水位观测标准》（GB/T50138-2010）、《河流流量测验规范》（GB50179-2015）有关规定，使用水文缆道测验，铅鱼重量为200 kg，用LS25-1、LS78 型流速仪，采用7 条测速垂线0.6 一点法进行流速测量。水平式ADCP 依据《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）开展测验，流速采样间隔时间设置为5 min，取比测时间内的流速的平均值为指标流速。比测时间从2017年1月1日～2017年12月31日，累计使用常规流速仪进行流量测验44次，共收集比测资料44组。

3.2 流速相关关系分析

2017年1月1日～2017年12月31日共收集到44份比测成果，实测最低水位46.26 m，最高水位50.78 m，水位变幅为4.52 m，平均流速为0.078～1.40 m/s。

比测率定以流速仪的实测断面平均流速与水平式ADCP的指标流速进行率定。流速仪的实测断面平均流速为断面平均流速Vm，流速仪法测流起止时间摘录相应时间内水平式ADCP所测流速用算术平均值作为指标流速Vi，同步比测数据见表2。

表2 断面平均流速与水平式ADCP指标流速对照及检验成果表

将水平式ADCP指标流速Vi与实测断面平均流速Vm组成样本进行相关关系分析，得到ADCP的指标流速与断面平均流速Vi-Vm关系线。由于第一次建立的关系曲线标准差Se均不符合《水文资料整编规范》（SL247-2012）中的3.3.2 要求；故删除其中11组相对误差较大的数据，经分析这些测点为人为误差或受上游电站影响造成相对误差较大，舍去后，再重新建立ADCP 的指标流速与实测断面平均流速Vi～Vm关系线，如图3。

图3 流速相关关系图

分别进行3 种检验及随机不确定度计算，3 种检验都达到合格（见表2），其相关系数R=0.9 960，随机不确定度为10.6%，系统误差为0.25%。均符合《水文资料整编规范》（SL247-2012）中的3.3.2第2条“巡测站定线随机不确定度可增大2%～4%”要求。

4 成果比较分析

4.1 水位、流量过程线比较分析

根据信都站实测流量成果，采用临时曲线法进行推流，点绘2017年 7月1～31日实测水位、流速仪法流量过程线，同时利用水平式ADCP 所监测指标流速，按一元二次方程Vm=-0.0 751Vi2+0.9 533Vi+0.0 744 算出断面平均流速乘以当时水位对应的水面面积计算出流量为水平式ADCP 实测流量，用连实测流量法点绘2017年7月1～31日实测水平式ADCP实测流量过程线，见图4。

从图4的水位、流速仪法流量、水平式ADCP实测流量过程线可以知道，流速仪法流量、水平式ADCP实测流量过程线与实测水位过程变化趋势一致，即水位高流量大，水位低流量小。流速仪法流量、水平式ADCP实测流量过程基本一致。

图4 信都站水位、流量过程线对比图

4.2 年径流量、汛期径流量比较分析

用流速仪实测流量以临时曲线定线推流与水平式ADCP 实测流量连实测流量法推流分别统计2017年年径流量及汛期径流量进行对比分析（见表4）。由表4 可知，两种方法计算的年径流量及汛期径流量相对误差较小，符合《水文巡测规范》（SL195-2015）中的4.5.3要求。根据《河流流量测验规范》（GB50179-2015）、《水文资料整编规范》（SL247-2012）等有关规定，该水平式ADCP 测验及整编成果完全符合并满足推流要求。

表4 年径流量、汛期径流量的对照表

5 几个关键问题及探讨

5.1 关于水平式ADCP在线测流系统的优越性

综合上述内容，采用传统方法推流整编的成果与水平式ADCP 在线测流法成果是一致的，但监测过程和效果上看，水平式ADCP 在线测流法与传统方法相比有优越性。一是水平式ADCP在线测流法突破了传统方法主要依靠人工通过劳动密集型操作实现流量过程监测的目的，以电子设备代替人力，具备了不断向全面自动性、智能性升级的空间；二是水平式ADCP 在监测频次、过程线控制上优越性突出，水平式ADCP 一般采用5 min/次采集实时流量数据，这一点是以人工作业为主的传统方法无法做到的；三是水平式ADCP法在解放劳动力，使水文测站提档升级方面具有明显优势。

5.2 关于低流速条件下的率定分析探讨

因流速仪法等传统测流的局限性，当流速较小时测验误差较大。如断面平均流速小于0.20 m/s时，当出现±0.01 m/s 测验绝对误差时，其计算的相对误差却达到±5%，但是它对水量的影响是微小的，可见在比测率定过程中不应过于纠结低速部分精度问题，而应该将重心转移到过程线控制以及日、旬、月、年水量的把控上。《河流流量测验规范》（GB50179-2015）、《水文资料整编规范》（SL247-2012）、《水文巡测规范》（SL195-2015）对流量精度规定多从单次流量测验和水位流量关系线误差考虑，缺乏新测验方法、新整编方法的误差分析指标，不利于处于水利梯级工程影响下水文站流量监测，建议尽快出台新的、更科学精度控制办法，以期突破当前技术瓶颈。

5.3 关于比测率定成果的应用范围拓展问题

在信都水文站流速关系比测率定中，比测最低水位46.26 m，最高水位为50.78 m，水位变幅4.52 m，为中低水位级，与历年实测最高水位55.06 m，最大流量7320 m3/s，最大流速4.20 m3/s，还有较大的差距，因此对中高水位应继续进行比测分析。

6 结语

通过信都水文站水平式ADCP流速关系率定分析、误差精度分析和推流整编应用效果分析等相关成果，认为设备安装位置和采样区域代表性良好，单次测验精度高，比测率定数据代表性较好，满足分析需要。比测率定分析方法合理，率定精度满足国家基本水文站流量测验精度要求。2019年12月，信都水文站水平式ADCP 在线测系统已获得广西壮族自治区水文中心批准正式投产使用，其监测成果可纳入国家基本站水文资料整编及复审汇编。