回水影响下H-ADCP在线流量监测系统的应用分析

刘运珊 程 亮

(赣江上游水文水资源监测中心，江西 赣州 341000)

山区的大中河流大多数水力资源丰富且拥有良好的开发条件，是水电开发的重点区域[1]。随着阶梯式水电工程的建成，水文测站处于回水区时，水位-流量关系变得复杂，为推求径流量常采用连实测流量过程线方法整编，但该方法要求测量测次足够，工作成本相对较大[2]，且无法掌握流量实时变化过程，时效性差。水平式声学多普勒流速剖面仪(以下简称H-ADCP)将声学换能器固定安装在水下合适位置监测河流平层流速，采用指标流速法推算断面平均流量来实现流量在线监测，是一种利用声学多普勒原理测验流量的设备[3]。H-ADCP对于常年水深较大、水平层流速代表性较好的测站具有较大的实用价值，可实现流量实时监测自动化[4-5]。现以受回水影响的江西省坝上水文站为例，使用H-ADCP进行流量实时在线监测，率定H-ADCP流速关系并进行流量及整编成果分析，分析H-ADCP在线流量监测系统在受回水影响的监测站点的应用情况。

1 测站基本情况

坝上水文站始建于1953年1月，流域面积7657km2，位于赣州市章江新区梅关大道，属于长江流域鄱阳湖区赣江水系一级支流章水控制站，为一类精度水文站，是国家重点水文站。该站实测历史最高水位为103.83m，出现时间是1961年6月13日；实测历史最低水位为93.82m，出现时间是2004年1月28日；多年平均流量198m3/s，多年平均年径流总量为62.4亿m3。

该站测验河段顺直，两岸为人工整治河堤，河岸稳定，无漫滩，河床由细沙和淤泥组成，有冲淤现象，枯水时露沙滩，水流分叉，系土质，断面下游1.2km处河道弯曲。断面上游8km处有章江水轮泵站一座，0.5km处有一面积约0.12km2的江心洲；下游12km与贡水汇合后始称赣江。2001年在下游11.5km处建章江橡胶坝一座，于2002年5月下旬开始蓄水。受橡胶坝回水顶托影响，该站中低水位基本处于回水区，平水期水位壅高1.5～2.3m左右，流速仅为0.02～0.20m/s，为此，该站采用连实测流量过程线法推求及整编流量。

2 仪器设备情况

2.1 仪器主要参数

该站采用了淘金者Argonaut-SL500型流量计。主机外壳为宽33.2cm×高17.8cm×厚12.4cm的实体，正面有2个用于测量水层水体流速的水平声学传感器，顶端有1个用于向上测量水深的垂直声学传感器。主要参数见表1。

表1 仪器主要参数

2.2 仪器安装情况

H-ADCP采用指标流速法进行流量监测，即指标流速乘以借用断面面积得到指标流量。按照规范要求并结合坝上站实际地形、流态等情况，将H-ADCP仪器安装在河道左岸基本水尺断面上游1.0m，仪器距测流断面4.0m(测流断面位置为基上5.0m)，起点距13m、高程96.80m处，安装位置见图1和图2。按照H-ADCP波束角1.4°计算，测量范围要求水位大于97.3m。H-ADCP指标流速采集范围为左岸5～80m(起点距18～93m)内的水平平均流速。

图1 H-ADCP安装位置剖面图

图2 H-ADCP安装位置纵向图

3 应用情况

3.1 比测方案

a.收集坝上站2020年1—10月的实测流量，与同一时间的在线H-ADCP流量进行对比分析，确定相关性，并分析误差存在的原因。

b.对断面的稳定性进行分析。

c.将H-ADCP流量整编成果与原连实测流量过程线的整编成果进行对比分析，分析H-ADCP在线流量监测系统在该站的应用情况。

3.2 资料情况

本次采用2020年1月4日至10月31日数据，水位位于97.30m以上的实测流量137次，H-ADCP每15min采集一组指标流速数据，共收集数据30266组。实测流量及H-ADCP数据情况(见表2)显示：1—10月数据中，受下游回水顶托的影响，蓄水期间H-ADCP出现极少量负流速情况，通过调查同期下游大坝渗流流量，进行修正。

表2 比测期间监测洪水变幅情况

3.3 断面稳定性分析

根据坝上站历年测验断面特性和2020年汛前、汛中所测大断面面积和平均河底高程变化分析，测验断面局部有冲淤现象，但总体较为稳定，两次测量结果接近。其中在水位97m时相对误差1.6%，水位100m时相对误差0.6%，说明断面稳定性较好，H-ADCP可借用断面见图1和表3。

表3 坝上站2020年断面变化分析成果

3.4 流速率定

将137次实测断面平均流速与相应时间H-ADCP所测指标流速进行对比，其中H-ADCP指标流速为相应时间内的算术平均值。由图3和表4可以看出，二者有明显的线性关系：流速以0.57m/s为分界，呈现折线关系，相关性良好，即流速小于0.57m/s时，采用Ⅰ线关系式y=1.1028x+0.0222，相关系数R2为0.9575，系统误差0，标准差0.3%，不确定度0.6%，适线检验合理，由于测点多且没有删除凸出测点，故符号检验和数值偏离检验略偏大，总体来说该线还是合理的；流速大于等于0.57m/s时，采用Ⅱ线关系式y=0.7445x+0.1933，相关系数R2为0.9989，系统误差0.1%，标准差1.4%，不确定度2.8%，三检结果合理。

表4 断面平均流速与H-ADCP指标流速回归方程三线检验结果

图3 实测、在线流速相关图

本次率定样本范围水位为97.30～99.25m，实际水位变幅95.94～99.26m，高水延长线延长30%后该流速关系可用范围为97.30～100.25m。

3.5 流量分析

将H-ADCP指标流速乘以率定的K值，得到H-ADCP断面平均流速，再乘以借用断面面积，即得到流量。将137次实测流量与相应时间H-ADCP所测流量进行对比分析，实测流量与H-ADCP流量关系见图4。二者有明显的线性关系，R2为0.9895，相关性好。经计算，绝对误差平均值为-0.06m3/s，系统误差为0.02%。

图4 实测断面平均流量与H-ADCP断面平均流量关系

2020年实测最大流量测次为第52次，相应水位为99.25m，实测最大流量为1870m3/s，同期H-ADCP测得流量为1886m3/s，相对误差0.87%。2020年实测最小流量测次为第33次，相应水位为97.10m，实测最小流量为11.5m3/s，此时水位已低于H-ADCP水深范围0.2m。

3.6 整编成果分析

将2020年1—10月径流量以连实测流量法与H-ADCP进行整编，经分析，水位在97.30m以上时(2020年1—10月97.3m以上实测测次占比为90.3%)，在线整编成果较好，选择本年度一次最大洪水过程进行次洪径流量对比，次洪流量过程对照见图5。可以看出，年径流总量误差-1.60%、汛期径流量误差-2.75%、一次洪水过程径流量误差-2.81%，满足规范要求。详见表5。

图5 年最大洪水水位流量过程对照图

表5 径流量对比及误差

4 问题及建议

在使用H-ADCP进行流量实时在线监测的过程中，发现了一些问题并针对发现的问题提出相应建议如下：

a.受回水影响，设备监测数据时可能监测到少量负流速情况，此时应调查大坝渗流流量，以作修正。

b.H-ADCP探头安装在水中，当仪器出现故障时，无法判断仪器是否故障，只能通过网络平台上查询数据判断仪器或者系统出现故障，维护较为困难。

c.保持设备正常运行是确保测量精度的有效措施，每天要监视H-ADCP数据，出现故障时要及时维修。

d.当校核流量与关系式计算流量发生较大系统偏离时，要及时对关系式进行重新分析，验证关系的稳定性。

e.断面存在冲淤情况，为保证数据准确，大断面汛前、汛中、汛后各施测一次，较大洪水过后及时施测断面，并及时更新断面数据。

5 结 语

在受回水影响的坝上水文站进行试验，使用H-ADCP进行流量实时在线监测，率定H-ADCP流速关系并进行流量及整编成果分析，发现坝上站实测断面平均流速与指标流速有明显的线性关系，实测流量与H-ADCP流量相关性较好。适用水位级内，H-ADCP在线整编成果较好，年径流总量误差、汛期径流量误差及一次洪水过程径流量误差均满足规范要求，成果可用于资料整编。H-ADCP在线流量监测系统在受回水影响的监测站点的应用情况较好，能较好地弥补连实测流量过程线方法整编的不足，但使用H-ADCP在线流量监测系统时，应注意若出现负流量时应及时调查下游大坝渗流情况以作流量修正，每天应监视H-ADCP数据以保持设备正常运行，并及时更新断面数据。