浮标式流量在线监测系统在潮汐河道应用经验

黄士稳，黄 健，邵加健，敖 谦，劳国民, 单 明,杜 鑫

(1. 浙江省水文管理中心，杭州 310000；2. 临海水文站，浙江 台州 318000；3.杭州爱赛蓝特环境科技有限公司，杭州 310000)

1 概述

河流流量监测是洪水预报和水资源计算的重要数据基础，是水文分析服务深化的重要手段。传统流量监测以人工监测为主，需要大量人力成本，随着现代化流量监测技术如超声波时差法[1]、 电磁法、高性能视频水面流速法、侧扫雷达在线流量法[2]、点流速雷达在线流量法[3]、水平式ADCP在线流量法[4-5]在河流流量测量中的推广及广泛应用，按照小时或分钟对河流水文要素进行实时监测在大部分的河流断面实现。

虽然随着流量在线监测技术手段不断完善提高，越来越多河流断面能够实现流量的在线监测，然而在部分特殊河道断面，如受潮汐影响的大江大河的流量测验中，在线监测手段的成功应用仍然具备相当大的挑战，一般采用水平式[6]、垂直式ADCP[7-10]的监测方式进行监测。本文以之江水文站在线流量测验任务的尝试及应用为例，探讨浮标式流量在线监测系统在潮汐河道的流量测验中的应用。

2 之江水文站概况

2.1 测站概况

之江水文站是经国家水利部批准的全国首批国家重要水文站，位于富春江、浦阳江和钱塘江三江交汇下游3.5 km处、杭州市西湖区双浦镇外张村的钱塘江北岸，集水面积为41 769 km2，占钱塘江流域面积55 500 km2的75%。之江水文站上游干支流的主要水文测站有富春江电站( 集水面积为31 645 km2)、分水江水文站(集水面积为3 100 km2)和诸暨水文站(集水面积为1 719 km2)，区间面积为5 305 km2。

受感潮河段和上游电站的影响，流量级的划分通过近几年的实测数据分析得出。断面流量在 7 000 m3/s 以下为低水流量，7 000～15 000 m3/s 为中水流量，15 000 m3/s 以上为高水流量。之江水文站基本断面大断面宽约1 km，呈现明显的“U”型，断面水深较深，之江水文站基本断面如图1所示。

图1 之江水文站上游大断面示意

2.2 测站流量监测手段

之江水文站测洪设施有闻堰和袁浦两座水位台，主要测洪设备有浙水文01号等3艘机动测验船、走航式声学多普勒流速仪5套、定点式声学多普勒流速仪5台。日常测流完全采用声学多普勒流速仪进行流量测验，包含在闻堰水位台和袁浦水位台的定点式声学多普勒流速仪施测的同时使用走航式声学多普勒流速仪进行断面流量实测，以寻求定点式声学多普勒流速仪所测的部分流速与断面平均流速之间的关系，并通过此关系进行推流。

备用测流方案为在之江大桥上游测得断面，布置12 根垂线。通过电波流速仪测得表面流速， 乘以系数(比测系数为 0.76)得到测线平均流速， 在断面左岸设置了水尺获取水位数据。

之江水文站监测断面属于典型的感潮及受水利工程影响的河段，且属于通航航道断面，断面水深大，目前常规测流方案中的走航式声学多普勒流速仪测量流量工作量大，安装的定点式声学多普勒流速仪仅能采集安装点往外80 m的垂线数据，难以覆盖到1 km断面的中间位置，代表性较差，断面的复杂性导致流量实时在线自动化监测难度大。为了进一步研究完善之江水文站的流量自动化程度，在2020年，根据之江水文站断面情况，引入1套浮标式流量在线监测系统(见图2)，作为流量监测自动化能力的建设的有效补充。

图2 之江水文站浮标式流量在线监测系统现场示意

3 浮标式流量在线监测系统介绍

3.1 系统工作原理

浮标式流量在线监测系统以垂直式声学多普勒传感器(即ADCP)为核心传感器， ADCP传感器是根据声波的多普勒频移原理测量水体流速的。每个换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物(如泥沙、气泡等漂浮物)散射回来的声波，根据发射与回波的频率差值进行流速流向计算。

(1)

式中：

fd——声学多普勒频移,kHz；

fδ——回波频率,kHz；

v——颗粒物沿声束方向的移动速度,m/s；

c——声波在水中的传播速度,m/s。

浮标式流量在线监测系统以浮标体作为设备搭载平台，配置一整套数据采集与传输系统、太阳能供电系统、安全防护系统、锚链系统、警示系统，以垂直式ADCP为核心监测传感器采集投放点垂线的流速流向数据，并通过数据采集与无线传输系统传输到岸基的水文综合管理软件平台，接收平台软件对各层流速、流向进行算术平均求得垂线平均流速和流向，根据浮标式ADCP流速与走航式 ADCP 施测断面平均流速建立相关关系，推求出断面平均流速，再根据当时水位查算断面面积，得到整个断面实时流量，实现了流量流速监测管理的实时化、自动化、智能化，工作原理如图3所示。

图3 浮标式流量在线监测系统工作原理示意

3.2 系统组成设计

1) 浮标体平台

浮标体平台是浮标式流量在线监测系统的搭载平台，其性能设计优良性一方面是保障流量传感器采集流量数据的可靠性的基本要求，另一方面是保障流量监测系统能正常稳定运行的要求。之江水文站的浮标体监测平台是针对之江站大断面的情况及近年来的水文水动力条件设计，一是考虑断面宽度较大，潮流变化大，在设计上增加浮标平台的尺寸，进一步增加浮标的稳定性同时增加供电能力，二是进一步集成设计水下模块及锚链设计，减少漂浮物挂载的影响，三是降低浮标重心，减少浮标的晃动。

2) 浮标配套系统

本系统选用低功耗、耐腐蚀、故障率低的配件设备，对于重要的子系统采用双保险系统，如本系统中数据采集器采用业界公认故障率最低的数采器，数据采用4G传输和本地固态储存的双保险方式。在锚系选择上，根据本站的水质情况及浮标重量、水流速度设计最优的尺寸及强度，降低流速测量误差。供电系统上根据浮标搭载传感器及设备的电量功耗考虑极限阴雨天气情况下的电量需求等。

4 浮标式流量在线监测系统应用分析

4.1 系统安装选点

1) 投放垂线确定

由于浮标式流量在线监测系统仅能监测投放点所在断面垂线流速流向数据，即是利用垂线代表法[11]，系统的安装位置的代表性对系统的成功应用具有重要的意义，为了能够选取具备代表性的垂线位置，在投放前进行现场的走航勘测，将大断面按从左岸(测船停靠位置为0点)到右岸的直线距离分别取80 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、550 m、600 m、650 m、700 m，共计划分成13条垂线，分别提取走航ADCP所测29个测次的以上13条不同垂线处的平均速率，并同断面平均流速做相关性分析，得到13组垂线分析关系线(如图4所示)。

图4 13条垂线的分析示意

从图4分析不同垂线与断面平均流速的相关系数，通过对相关系数和河道通航情况的分析可知直线距离350 m和600 m两条垂线流速同断面平均流速相关系数最高，相关性最好，但考虑到350 m位置为通航航道，为了保证航道的通畅性及仪器设备的安全性，最终确定直线距离为600 m的垂线为最优投放垂线。

2) 投放垂线验证

在设备正式投放前，在初步的垂线数据分析基础上，两次对600 m垂线位置进行再次验证分析，一是对600 m垂线流速同平均流速进行相关性分析，二是对水位流速关系分析，即进行水位流速趋势线分析，看水位流速趋势线是否与实际情况一致。

流速关系分析： 从图5可知，600 m垂线流速同断面平均流速关系验证，验证发现600 m垂线流速同断面平均流速相关系数达到0.936 4，与初步分析得到的相关关系一致，600 m垂线位置代表性较好。

图5 600 m垂线流速关系线验证分析示意

水位流速关系分析：在验证过程中对两次验证过程的水位流速变化过程进行趋势分析，并制作水位流速趋势分布图(见图6)。

图6 2020年11月26日之江站流速水位分析示意

从以上水位流速分布图中可以看出，站点监测断面平均流速同水位涨落呈现相反的趋势，600 m垂线流速同水位涨落呈现相反的趋势，同时垂线流速同断面平均流速具有一致的变化趋势，以上表现完全符合潮汐河道的水文特性，浮标式流量在线监测系统的投放600 m垂线监测的具有合理性及代表性，系统投放顺利。

4.2 系统应用情况

从2020年11月投放应用至今，浮标式流量在线监测系统在之江水文站断面的应用情况良好，既没有影响到断面的船只通航情况，系统一直在正常发挥流量数据采集任务，硬件设备表现优秀，未有设备故障及维护情况，能够稳定满足之江水文站的流量测验任务需求。

4.3 系统应用成果

1) 率定关系线

系统稳定投入运行后开始进行比测数据的采集，在2021年3月1日—2021年4月29日期间，采集到比测率定数据共61份，率定期间水位变化范围4.55～5.97 m，流量变化范围为-7 760～5 400 m3/s。基于截止到2021年5月的比测数据初步分析，断面的平均流速和代表流速的相关关系好(见图7)，浮标式流量在线监测系统在本站投放应用很成功。后续需要严格按照《水文资料整编规范》进行更长时间的比测验证，确保浮标式ADCP监测系统数据的可靠性。

图7 2021年之江站浮标式流量在线监测系统初步率定分析关系线示意

浮标流量监测系统投放安装应用后，无间断提供监测站位的流速流向数据，截止到2021年5月6日，共采集到的流量数据35 582条，且流量数据跟水位关系良好，浮标的能够满足水位的变动需求，且变动的趋势变化符合潮汐河道的变化特性。

从平台的水量数据统计分布示意来看(见图8)，之江水文站水量分布符合河流水文变化规律，进入汛期后水量明显增加(11月数据未能够采集完全，图中省略)。

图8 之江水文站每月水量统计分布示意

5 结语

通过浮标式流量在线监测系统在之江水文站应用可知，本系统稳定性先进性好，能够实现此类宽阔潮汐河流断面流量数据的实时监测，大大减轻水文站工作人员的劳动强度。相对于座底式的垂直式测流系统，浮标式系统具有能够适应水位变动、安装维护较为方便、无淤积影响等特点[12]，可应用范围更广。

总结之江站的浮标式流量在线监测系统的成功应用经验，得知为了获取较好的应用成果，浮标式流量监测系统的投放建设需要重点考虑两个关键的因素，一是系统的投放垂线的选择，必须选定具有代表性的投放垂线，以实现利用单条垂线数据获得代表性良好的率定相关关系线，可以在投放前提及初期多次进行垂线的选取及验证操作，保证投放位点符合要求；二是系统的性能保障维持，浮标系统运行于靠近航道位置，需要谨慎考虑包括系统的安全性、稳定性、可靠性等，一般建议进行定期的检查及维护，保证系统稳定安全运行。