水平声学多普勒流速剖面仪在河道流量测验中的运用分析

陈 刚，刘尔烨，余乃旺，黄宏家，张明明

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局,江苏 盐城 224000）

水文现代化是水利现代化的基础,而流量测验和传输是否实现自动化则是水文现代化的重要指标。目前,水文行业正处于从“传统水文”向“现代水文”的转型期,测验方法和测验手段正在逐渐由人工向智能转变,水位、雨量、地下水位（温）已完全实现遥测遥报,遥测数据可直接入库进行资料整编,河道流量自动测报还在积极探索中。本文以阜宁（射）水文站H-ADCP为研究对象,研究其在平原水网河道中的运用可行性。

1 概况

1.1 河道概况

射阳河是里下河地区重要的排涝河道,上游起自射阳湖荡,经整治后,由建湖县收成庄至下游射阳河闸入海,河道全长161 km,积水面积4036 km2,主要水源为降雨径流,其次是上游过境水及灌溉总渠自流灌区回归水。河道蜿蜒,水流平缓,是里下河地区排水入海的天然河道,具有灌溉、供水、航运、排涝、防洪等功能。其与新洋港、黄沙港、斗龙港并称为里下河“四大港”,其排水能力居“四大港”之首,为减轻里下河地区洪涝灾害发挥着巨大作用。

1.2 测站基本情况

阜宁（射）水文站位于射阳河中游段,是里下河地区重要的国家水文监测站和水情报汛站。该站始设于1921 年,1937 年停测,1950 年恢复测量,承担着流域防洪和城市防洪的双重职责,每年为各级防汛部门提供实时雨水情报400 多份,为射阳河沿岸地区防汛防旱、水资源管理以及流域规划和治理,提供了大量的基本水文信息。

阜宁（射）水文站为汛期流量站,每天8 时、14 时、20 时、2 时四段制测量,历年来采用连实测过程线法推流。该站测流断面处河口宽171 m,中泓处河底高程-6.3 m,历史实测最大流量552 m3/s,最高水位2.52 m,最低水位-0.85 m。

鉴于阜宁（射）水文站的重要性和代表性,为加快推进该站测报方式改革,实现在线实时监测河道流速流量全过程,盐城水文分局在2019 年汛前完成了该站H-ADCP栈桥建设及仪器安装调试工作,同期即开展流量比测工作。

2 H-ADCP概况

2.1 测流平台设计

为提高测流精度,保持测验断面的一致性,考虑河道断面现状及航道要求,兼顾仪器检修等,测流平台采用栈桥设计。栈桥设于缆道测流断面上游5 m处,垂直于河道左岸建设,宽1 m,长8 m,H-ADCP换能器置于其顶端水下。H-ADCP仪器测流断面与缆道流速仪测流断面形状基本一致,且两断面间无支流和外水汇入,通过两断面流量视为相等。

2.2 仪器选用及工作流程

（1）测验河段左右岸均为直立砼护岸,河口宽171 m,仪器选用美国RDI公司生产的ChannelMaster型600 kHz的H-ADCP。

（2）H-ADCP仪器安装在起点距8 m（河道左岸石驳岸为起点距零点）、高程-0.75 m处（对应河底高程-1.60 m）；设置的ADCP盲点距离1 m,单元间距1 m,测流河段大断面图及H-ADCP安装位置示意图见图1。

图1 阜宁（射）站测流河段大断面图及H-ADCP安装位置示意图

（3）H-ADCP主机探头升降装置以槽钢立柱为支撑,采用双轨道引导H-ADCP主机升降,确保主机始终保持定点、定位测量。实践证明,双轨道设计对H-ADCP主机起到很好的固定作用,在流速较大情况下,横摇和纵摇的变化很小,能够确保主机保持姿态稳定。

（4）H-ADCP供电与通讯共用一根电缆,供电电源选为松下12 VAH蓄电池,80 W太阳能板配备直流充电器1 台。

（5）工作流程：由H-ADCP采集流速、水位,探头将测量结果通过电缆线传输到工控,工控机安装软件控制H-ADCP开启及数据采集,同时将测量结果通过无线传送模块（DTU）传送至中心控制计算机中；计算机根据H-ADCP代表流速与测流断面平均流速相关关系计算出测流断面相应流量,从而实现对流量的自动监测。

3 比测成果分析

3.1 测验情况

2019 年5 月～2020 年8 月进行H-ADCP与缆道流速仪法同步流量测验,测验时根据水势情况进行测点分布控制,尽可能涵盖高、中、低水位,大、中、小流量（速）等。

（1）H-ADCP主要技术指标：H-ADCP频率600 kHz,最大流速≤5 m/s,频次间隔5 min；平均时段100 s；单元数128；单元尺寸100 cm；盲点距离1 m。

（2）选择单元流速的范围：由于河道断面较宽,经研究分析选用32 m（第24 单元）～ 68 m（第60 单元）区间作为代表流速计算的单元流速范围。

（3）流速仪法：常规流速仪测流采用常测法,常测法时全断面布设8 条垂线,每条垂线均测相对水深0.2、0.8 的测点流速。

3.2 比测结果

3.2.1 关系线定线精度

依据《水文资料整编规范》（SL 247-2012）流速相关定线精度指标第3.3.3 条内容,按照三类精度水文站定线精度指标,随机不确定度为20%,系统误差为±3%进行关系线定线精度控制。

3.2.2 比测结果

本次比测共有36 个测次,采用各个测次数据建立代表流速与断面平均流速的相关关系,测验成果见表1；建立的H-ADCP断面代表流速Vcp与流速仪法测流断面平均流速V关系公式为V=0.914×Vcp,关系图见图2。

图2 阜宁（射）站Vcp-V关系线图

表1 代表流速Vcp与断面平均流速V定线精度计算表

3.2.3 关系线检验

对所建Vcp-V关系线进行符号检验、适线检验、偏离数值检验,检验结果均合格。检验过程见表2。另从表1可以看出,系统平均误差为0.06%,低于规范±2的要求；另相对误差不大于10%的的合格率达到80.6%,其定线精度较高。

表2 流速相关关系线定线精度和三项检验统计表

4 结论

（1）本文对阜宁（射）水文站2019 年5 月6 日～2020 年8 月13 日期间,通过H-ADCP与缆道流速仪法测量的36 个测次数据进行比较分析,H-ADCP代表流速与断面平均流速相关线定线精度较高,满足水文整编规范要求。

（2）H-ADCP测流技术目前仍有其局限性,如遇行船会受船行波影响,遇汛期行洪时,易受上游水草干扰,特别是小流速情况下,受干扰程度尤为明显。实际运用中应根据实际情况,重点研究如何对异常值进行筛选处理。

（3）H-ADCP测流数据需通过流速仪法或其它方式进行比测、验证,从测流断面设置、探头深度、代表单元选取等方面需不断尝试,从而提高其精度,更好地应用于流量测验。

（4）总体来说,H-ADCP作为一种先进的测流设备,其测验精度高,方便快捷,在实现流量自动测报上可操作性强,具有可行性,能有效解决传统测验模式中很多难测的实际问题,对测站水文测验方式方法改革具有实际的意义,运用前景广阔。