H-ADCP系统在回水顶托场合的应用以兰溪水文站流量测验为例

2021-06-11李三平方益铭陈婉莹谢景滨李旭光

浙江水利科技 2021年3期

李三平，方益铭，陈婉莹，谢景滨，李旭光，陈容

（1.浙江省水文管理中心兰溪水文站，浙江兰溪 321100；2. 广州和时通电子科技有限公司，广东广州 511447）

1 问题的提出

近十几年来，河流流量测验自动化、智能化迅速发展，雷达、超高频雷达、声学多普勒、时差法、二线能坡法等现代化测流方法越来越多被应用到明渠、河流流量测验中。其中，声学多普勒测流系统（H-ADCP）是重要且技术成熟度高的一种流量测验手段，H-ADCP在国内水文站[1-6]、感潮河段水文站[7-8]、平原河网[9]及水资源监测[10-11]等方面均得到成功应用，具有实时、快捷、准确及在不同水流中适应性较好的优势。应用中发现，H-ADCP测流系统受到现场条件、系统安装、河流泥沙含量、探头摆动等因素影响，在合理选址安装情况下也存在一定的局限性。

兰溪水文站位于钱塘江水系干流中游兰江河段，站位上游集水面积18 233 km2，下游70 km处建有1座富春江水力发电厂拦江大坝，属于受水利工程建设影响的水文测站。测验项目齐全，承担水文情报预报任务，为中央报汛站，是钱塘江水系防汛防旱控制站和依据站。虽然测验任务繁重，但是在引进H-ADCP系统前，兰溪水文站的流量测验主要采用传统仪器设备，如流速仪、缆道式电波流速仪、手持式电波流速仪、走航式ADCP等进行测流，流量测验自动化程度低。为进一步提高兰溪水文站流量测验自动化水平，实现水文测验的自动化、智能化、社会化和现代化，于2019年引入1套H-ADCP流量在线测验系统。H-ADCP在受水利工程影响的站点有不少应用案例，主要集中在对系统成功应用的介绍[12-13]。本文基于系统在兰溪水文站的应用数据，着重论述为兰溪水文站流量测验工作带来的优势及应用成果经验，为同类站点应用提供参考。

2 H-ADCP系统介绍及安装

H-ADCP是一套以水平式声学多普勒测流仪为核心传感器的流量监测系统，通过物联网或北斗通讯进行数据的实时采集传输，并通过配套的流量监控软件实现对H-ADCP在线测流数据的自动汇集和整理，率定成功后，智能输出符合 SL 247—2012《水文资料整编规范》要求的水位月报表、流量月报表、日平均水位表及日平均流量表等多个报表。

系统的成功安装调试是系统性能精度的保证，通过对现场多次勘查测量，根据兰溪水文站多年水文资料进行综合分析，确定将H-ADCP主机探头安装在距河流起点20 m的垂线位置。靠近探头部分会有紊流影响，对测量区间进行取舍，舍弃距起点20～26 m内的数据，确认最终设备采集数据起点为26 m，并保证有效覆盖主流位置。

3 H-ADCP测流应用成果

3.1 关系线的确定

为保证仪器测量数据的真实可靠，采用缆道流速仪或走航ADCP实测平均流速数据，与H-ADCP在线采集代表流速数据进行率定分析，将H-ADCP测得的代表流速（V代表）与缆道测流所测流量计算出的平均流速（V平均）建立相关关系（见图1），并进行相关性分析和水文整编规范要求的三线检验分析（见表1）。

图1 兰溪水文站在线流量监测系统率定关系图

表1 符号、适线和偏离数值的检验分析结果表

率定分析资料收集的时间段为2019年5月26日—12月26日。率定期间实测流量变幅为445～7 900 m3/s，流速变幅为0.29～2.10 m/s，水位变幅为2.92～8.40 m。率定关系图中，高流速条件下，平均流速与代表流速有较大偏离，这是因为基于安全考虑，高水位洪水的比测断面与设备安装断面略有偏移，故高流速比测数据存在一定偏差。

3.2 数据结果

3.2.1 数据完整性

2019年5月26日，H-ADCP正式投入兰溪水文站流量测验工作中。截至2019年12月31日，通过在线软件监测平台统计数据可知，统计分析理论数据采集总数为62 208组，实际采集总数为 62 201组，数据缺失7组，数据畅通率及完整性达到99.99%。系统的数据畅通率及完整性高，运行稳定、可靠、维护工作少。

3.2.2 水位流量数据结果

H-ADCP具有过程线统计功能，统计分析2019年5月26日—12月26日水位与流量过程线（见图2），系统测量流量变化跟水位变化过程线高度一致，不存在数据跳变等现象，符合河流的水情变化规律。截取6月19—26日洪水过程进行分析（见图3），H-ADCP监测流量过程线与水位过程线升降趋势几乎一致，H-ADCP能够很好地捕捉到断面的洪水过程，覆盖各洪水周期。统计2019年6—12月水量分布变化（见图4），兰溪水文站的水量月份变化大，汛期主要集中在6—8月，降水量占比达到90%以上，流量最高月份为最低月份的近30倍。

图2 2019年兰溪水文站H-ADCP水位及流量变化过程线图

图3 兰溪水文站2019年6月洪水过程线图

4 应用分析讨论

4.1 应用优势分析

H-ADCP在线工作模式为全天候无人值守监测，有3个明显的应用优势：1实现流量监测的连续性。相对于传统方法的间断性监测，能够保证监测数据的连续性，并且覆盖每个洪水周期，不易漏测洪水峰顶。2监测分析数据量大大增加。根据规范要求，兰溪水文站每年流量测次约200多次，而H-ADCP在2019年应用的7个月中获取的数据达到62 201组，每组数据均包括水平断面的20个预设垂线单元数据，获取的流量数据增加近百倍。数据通过配套的流量监控软件进行处理汇总输出相关报表，数据处理更加便利。3可监测到更多细节变化。采集数据连续性增强数据量增多，使流量的转折变化细节得到展现，流量数据的日变化（见图5）、周变化、月变化等转折点一目了然。

图5 兰溪水文站2019年11月流量日数据过程线图

H-ADCP的应用使得流量数据能够随时获取，洪水达到警戒值可及时报警，有利于防汛工作开展，同时一般洪水无需人工监测流量，减轻水文人员的工作强度，便于从事其他水文服务和应急监测工作。

4.2 数据精度分析

由于兰溪水文站受下游水利建设影响，断面流量存在较大波动，导致人工测验数据质量精度存在偏差，难以形成合适的水位与流量关系曲线。传统测验方法需要在不同水位条件下加密监测来保证数据符合规范精度要求。

随意选取H-ADCP在洪水期及枯水期的一日流量数据变化（见图6）可知，在洪水期或枯水期，兰溪水文站的日流量变化规律性不明显。在每日288组瞬时流量数据中，7月和11月最大及最小流量差值分别达到452 m3/s 和261 m3/s，日流量标准偏差分别为97 m3/s和66 m3/s。说明在本站若采用传统流量测验方法，由于流量日变化大，流量测验结果可能存在误差，为推流结果带来偏差。

枯水期流速变化范围为0.00～0.14 m/s，近1/2时间内流速小于0.02 m/s，难以用转子流速仪等设备进行测流，H-ADCP精度最低可达0.002 m/s，满足低流速条件下的测流需求。

H-ADCP能够实现24 h自动、快速监测，不仅可减少人工测验压力，而且一定程度上能够改善由于间断监测导致的数据质量降低的问题。经过验证，H-ADCP监测精度符合规范，能满足兰溪水文站极低流速下的流量监测需求，在应用期间未出现任何故障且数据表现良好。

4.3 水利设施影响分析

兰溪水文站位于富春江水力发电厂拦江大坝库尾，也是其入库站，水利工程设施对测站的水位流量会产生影响[13]。随着H-ADCP的应用，发电厂大坝对流量测验的影响有以下3个方面：

（1）增加流量测验难度。由于大坝的存在，无法得到合适的水位与流量关系曲线，仅能依靠人工测验来完成流量测验任务。

（2）影响流量测验数据质量。根据上文的计算和分析可知，即使加大人工测验频次，由于流量日变化较大，每日1次或数次流量测验所获取的流量数据误差可能较大。

（3）造成回水顶托现象。回水顶托是洪水波在自上而下的传播过程中，遇到某种障碍后向上游反射的一种水文现象，多出现在平原河道、感潮河道或有闸坝控制的河道中[14]。从H-ADCP监测数据（见图6）可看出，由于发电厂每日发电放水的间断操作，断面比降及流速均相应产生变化，直接影响水位与流量的关系[15]造成回水顶托，影响时间使得流量存在较大的日变化，在流速小的枯水期，超过1/2时间流量低于50 m3/s。