H-ADCP 在巢湖水量自动监测中的应用

李 梅 ，胡家良

（1.巢湖管理局水环境保护管理中心，安徽 巢湖 238000；2.巢湖管理局河道和工程管理处，安徽 巢湖 238000）

1 概述

巢湖是我国五大淡水湖之一。长期以来特别是党的十八大以来，中央高度重视巢湖综合治理，从“九五”规划开始，一直把巢湖列为全国“三河三湖”治理的重点。二十埠河为巢湖一级支流南淝河左岸的主要支流，河流长度32 km，流域面积144 km2，流经合肥市新站区、瑶海区和肥东县，是合肥市东部的一条重要季节性河流。二十埠河入南淝河汇合后入巢湖。

水量监测是为了更好地了解河湖水资源情况，进行河湖污染物通量计算，帮助各级政府准确研判水资源形势，在水质水量联合调度、河湖长制考核指标分析等方面进行科学决策。

水量监测方法主要包括两种形式，即人工监测和自动监测。人工监测主要是通过旋浆式（或旋杯式）流速仪采集测流断面具有代表性的垂线某处的流速，并用测深仪等设备测量到当前的水位，通过计算得出整个断面的流量。通常利用水文缆道，或在桥上进行测量，测量结果比较准确，但测量时间长，耗费人力物力[1]，易受人为因素影响，人工监测频率相对较低，测量的数据连续性较差。自动监测是指在断面上安装水位、流速传感器，自动获取断面流速、水位数据，并通过数据终端机RTU 发送到监测中心，计算得出流量，经率定后的流量成果数据准确、及时、连续性好，可以长期用来监测入湖、出湖水量[1]。

2 H-ADCP 测流原理

2.1 测流原理

H-ADCP 是水平声学多普勒流速剖面仪的简称。它具有高质量、高分辨率的特点，是一种高质量的河流在线监测仪器，主要利用多普勒效应原理进行流速测量。用声波换能器作为传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出测线范围内若干点流速，采用相关方法计算测线平均流速[1]。

工作时两个传感器轮换发射声波，准确测量出该水层面从左到右不同距离上，两个方向上数百个流速点数据。H-ADCP 测得数据通过RS422 或RS232信号线方式接入位于岸边的流速流量积算仪表，依据设置好的采样时间间隔和用户命令采集若干组数据计算层平均流速，水位采用外接浮子式水位计的水位值。现场流速流量积算仪依据流速点数据、水位数据、河道断面、数据相关性流量模型计算出河道瞬时流量，从而实现断面流量的在线自动监测，并将所测的水位、流速、流量等水文参数通过RTU采集发送到数据中心[2]。

图1 水平法测流示意

2.2 系统组成

二十埠河水量自动监测站采用GRPS 无线遥测方式，由水下H-ADCP 测流单元将监测的流量数据接入岸上流速流量积算仪，根据设定的运行参数计算出横向剖面的平均流速，然后根据率定的模型计算出断面平均流速，并根据采集的水位数据最终计算出断面流量。遥测终端RTU 采集流速流量积算仪的横向剖面平均流速、水位、断面流量数据，向数据中心发送数据。二十埠河水量自动监测站主要由水平式ADCP、气泡水位计、数据采集RTU、4G 通讯模块、一体化立杆、机箱、电源系统、视频监控等部分组成。水量自动监测系统结构如图2所示。

图2 水量自动监测系统结构

3 二十埠河水量监测

3.1 测流断面布置

按照河湖长制考核验收要求，巢湖流域在环湖一级支流、二级支流共26 条河流设置了43 个考核断面，其中国控监测断面14 个、省控9 个、市控20个。二十埠考核断面为市控考核断面。断面处河道宽度约60 m，无滩地，河底高程约5.5 m，左右岸堤顶高程约13.2 m。建有水质自动监测站点。为实现水质、水量的同步监测，二十埠河水量自动监测站站址在满足自身建站要求时，尽量靠近水质自动监测站附近。右岸水质自动监测站栈桥长5.8 m，桥面高程8.5 m，栈桥迎水面外侧钢管底部高程6.5 m。考虑断面较小、河道顺直、断面稳定，无明显回流和阻水，无分叉等特点，具备H-ADCP 安装条件，可采用H-ADCP 测流方式。根据枯水位和测流设备波束角（1.5°）开度要求，测流传感器探头最低安装高程6.6 m，传感器和立杆轨道垂直固定在现有栈桥外侧钢管[2]。

3.2 比测与率定

遥测终端RTU 采集的数据，必须有水文专职测验技术人员按照流速仪法或走航式ADCP 比测技术要求，依据《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）或《声学多普勒流量测验规范》（SL 337—2006）的规定，在不同水位条件下进行对比观测建模和验证，达到规定的测流精度并提供对比率定后，方可正式使用。

H-ADCP 流量自动监测系统利用H-ADCP 测量某一测层一定范围内横向剖面平均流速，然后根据已建立的水位～断面面积（Z～A）及断面平均流速～H-ADCP 横向剖面平均流速（Vcp～VADCP）关系计算出断面流量。因此，分析和建立 Z～A 及 Vcp～VADCP关系是建立自动监测系统的基础工作。

二十埠河水量自动监测站建成后，自2020 年1 月至2021 年9 月间，二十埠河水量自动监测站共收集58 组有效的比测数据。各次人工测量数据及ADCP 流速数据见表2。

由表2 可知，本站点ADCP 流速0.4 m/s 以下的数据较为集中，水位多在10 m 以下，而流速大于0.5 m/s 的数据较为集中，水位多在10 m 以上。这些大而较集中的数据出现在2020 年巢湖流域6 月到7 月份梅雨期间。2020 年7 月巢湖流域发生了超历史洪水，19 日忠庙站水位达12.80 m，22 日忠庙站水位涨至历史极值13.43 m。期间二十埠河水位也超高不下，7 月22 日至8 月1 日间水位超13 m。

表2 二十埠河各次人工测量数据及ADCP 流速数据

由于二十埠河水量自动监测站目前尚在初步应用阶段，现阶段收集的比测数据较少，监测数据系列性较差，分析对比性不够。虽然能够确定关系线，但效果不甚理想，还需要继续开展比测工作，收集更多有效的比测数据，进一步完善Vcp～VADCP关系的率定。

表2 中，部分时段流速仪出现负值。首先需人工排查ADCP 流速仪仪器故障，再分析出现河水倒流的原因是受风力的影响，还是受下游施工围堰影响等，然后结合实际情况审核该数据的合理性进行修正。

按照不同流速，将58 组人工监测数据分成0.4 m/s以下和0.4 m/s 以上两部分，依照《水文资料整编规范》（SL 247—2012）规定对58 组数据进行率定，得到的回归方程分别为y=1.2769x2+0.1598x+ 0.0717（见图3（a））和y=-0.8295x2+2.2225x-0.1906（见图3（b）），回归系数分别为R2=0.3535和R2=0.7223。率定关系曲线见图3。

由图3 可知，流速小于0.4 m/s 时点较为分散，相关系数小于0.4，而流速大于 0.4 m/s 时相关性相对较好。表明在流速较大时ADCP 测量数据与人工测量数据较为接近，而流速较小时ADCP 测量数据与人工测量数据相关性较差，ADCP 的测流精度较难保证，还需要收集更多有效的比测数据作进一步研究。

图3 水量自动监测站率定关系线

定线完成后，应做符号检验、适线检验和偏离数值检验，若三项检验不满足规范要求，应另选计算模型，重新定线。对关系线三项检验结果如表3所示。比测数据率定结果能够确定关系线，效果较为理想。

表3 关系线检验参数表

3.3 监测数据

二十埠河水量自动监测数据通过率定，实现了24 小时在线监测，监测数据已经接入数字巢湖平台，各级管理人员可在平台上查询和使用历史和实时数据。2020 年部分监测数据如表4 所示。

表4 二十埠河水量站部分监测数据

河湖污染在水里，来源在岸上。对于水污染防治不仅要重视各入湖河口断面水质达标，也要重视各入湖河道污染负荷消减。水量监测数据与水质监测数据相结合，可用于计算污染物通量，宏观指导水质水量联合调度，持续改善水环境质量。运用上述率定成果计算的流量和水质监测数据相结合，得到河道污染物总量。二十埠河2020 年6 月至12 月河道污染物总量如表5 所示。

表5 二十埠河河道污染物总量

4 自动监测设备的维护

由于水量自动监测站均在野外、露天建站，需要根据天气及测站实际情况，安排维护人员开展每月不少于1 次的巡检维护。具体工作内容包括水位校核，基础设施的检查、踏步，设备机箱、视频监控、栈桥、太阳能电池板外观的检查，数据采集系统、视频监控系统、蓄电池的电压、太阳能电池板的充电电压、RTU 的数据采集，各类数据的传输，ADCP信号传输水尺的清洗等。

5 结论

水量自动监测技术，可实现24 小时水量在线监测，并通过数据终端机RTU 发送到监测中心，以及时、准确地反应出流量的变化，全面提升巢湖流域水资源监测和管理自动化、科学化水平，增强流域现有功能区水质、水量监测的时效性、代表性和功能区达标评价的科学性，为监督水功能区达标、入河污染物减排提供支持。水量自动监测与水质自动监测相同步，能够及时、准确、全面地反映水体污染状况，为水环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。