长江中游螺山水文站流量在线监测方案分析

陈嘉翰

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430012)

0 引 言

螺山水文站是长江中游干流的重要水文站，水位流量关系为绳套型，采用单值化布置测验。随着沙洲和水情的演变，对水文监测的要求越来越高，为了更便捷有效提供精度可靠的实时流量数据，急需开展流量在线监测的研究工作。但是目前针对水位年变幅大且为复式河床的大江水文站测验断面，还未开展全面比测工作[1]，为推进相关工作的稳步开展，本文根据《流量在线监测方法适应性技术指南》[2]的要求，研究各种流量在线监测设备在螺山水文站的应用前景，为后期采纳并开展比测推荐较优的设备选型方案。

1 螺山水文站概况

螺山水文站始建于1952年，位于湖北省洪湖市境内，是长江荆江与洞庭湖出流汇合后的国家一类基本水文控制站，国家重要报汛站，控制流域面积1 294 911 km2。沙质河床不稳定呈W型，断面冲淤变化较大，主泓位置历年有所摆动。目前主要流量测验仪器有走航式ADCP、流速仪等。

1.1 测验河段概况

螺山水文站测验河段顺直长度约4 km，位于长江中游重要碍航河段——界牌河段。测验断面上距长江与洞庭湖的汇合口30 km、上距杨林山和龙头山天然卡口约10 km，下距南门洲约17 km(图1～2)；测验断面左岸上游140 m建有螺山电排站，最大排水量为200 m3/s，右岸上游350 m建有排灌站，在排灌站满负荷运行时，对测验断面近岸区域水流有一定的影响。中低水时期，江心洲显露，给测验工作加大了难度。

图1 测验河段示意Fig.1 Map of test reach

图2 测验断面布置Fig.2 Layout of test section

1.2 测验断面概况

1.2.1 测验现状

按《水文测验任务书》规定，螺山全年按水位-流量单值化方案布置测次，主要采用水文测轮搭载走航式ADCP施测(表1)。

表1 近年流量测次统计

螺山流量测验在单次成果精度和测次布置上存在的问题如下：

(1) 在沙洲显露时，右汊流速和水深相对主泓(左汊)明显偏小，测验耗时较多；

(2) 测验断面上游有杨林山和龙头山天然卡口和沙洲搅流，测验难度增加；

(3) 左汊昼夜航道运行，测验难度增加。

1.2.2 水沙特性分析

沙洲顶部高程年内、年际均有冲淤变化，以2020年为例，在汛前水位26.47 m(4月2日)、汛后水位24.21 m(10月29日)以下时，江心洲就会显露，且近年来1月份前后右汊过水流量明显减小，整理 2020年全年实测流量左右汊占比，左汊流量与右汊流量比为4∶1左右。

整理2018～2020年螺山站实测最大流量见表2，分析可知左汊流量占比基本稳定在80%，左右汊流量占比在年最大洪水过程时多年变化较小。

表2 实测最大流量左右汊占比统计

绘制2018～2020年的主汛期大断面图，对比分析可看出同水位下过水断面面积逐年减小，淤积较为明显，沙洲有逐年向右迁移的趋势(图3)。

图3 大断面图Fig.3 Great profile

2 在线监测方案分析

2.1 代表流速分析

螺山站2017～2020年水位在18.8 m以上，使用测船ADCP搭载走航式施测了208次流量，主流在左汊主泓的起点距425～775 m范围内摆动。

选取大断面起点距D=135，275，425，585 m垂线和135+275 m，135+275+425 m的垂线的组合建立的区域流量(大断面起点距D=100～200 m，100～400 m区域)和全断面流量进行相关分析，得出起点距585 m的垂线和2组垂线组合建立的区域流量线性相关性好，近年来相关系数均在0.9以上，符合流量在线监测方法适应性的可行性分析条件——具备代表垂线或代表性的区域流速(以2020年为例，见图4～6)。

图4 D=585 m部分流量与断面流量相关关系Fig.4 Correlation diagram between partial flow and section flow (D=585 m)

图5 D=100～200 m区域流量与断面流量相关关系Fig.5 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100～200 m)

图6 D=100～400 m区域流量与断面流量相关关系Fig.6 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100～400 m)

2.2 关系曲线三线检验

对2018～2020年代表线或区域流量与全断面流量的相关关系按照《水文资料整编规范》有关公式进行三线检验计算，结果如下。

2.2.1 符号检验

采用公式(1)进行计算：

(1)

式中：u为统计量；n为测点总数；k为正号或负号个数；u1-α/2为标准值。若u

表3 代表垂线或区域相关关系符合检验统计(α=0.05)

2.2.2 适线检验

采用公式(2)进行计算：

(2)

式中：u为统计量；n为测点总数；k为正号或负号个数。若u

表4 代表垂线或区域相关关系适线检验统计(α=0.05)

表4中仅2019年通过适线检验，最可能的原因是螺山采用单值化方案布置测点，年最高洪水位之前测点主要布置在涨水面，汛后补级差、沙推测验的测点基本都在落水面上所致。

2.2.3 偏离数值检验

采用公式(3)进行计算：

(3)

表5 代表垂线或区域相关关系偏离数值检验统计(α=0.05)

以上分析可知，2017～2020年选取的全年代表垂线流量(或区域流量)和全断面流量建立的关系虽不是最优，但也说明左汊主泓部分与全断面流量具有较为显著的代表性。为此，本文接下来将分析其沙洲被淹没后的中高水位部分，寻找部分代表区域与全断面相关关系是否存在更优的关系。

查阅图3，在水位高于26 m期间沙洲处于淹没状态，随即选取2020年相关实测数据进行分析，其三线检验结果如下：

(1) 符号检验u=1.10<1.96，合格；

(2) 适线检验u=3.74>1.64，不合格；

(3) 偏离数值检验|t|=2.08>1.96，不合格。

即单独采用沙洲淹没后的流量建立的相关关系也未达到预期值。

综上所述，选取的代表垂线D=585 m和100 m≤D≤400 m部分流量虽不是最优解，但也能在一定置信水平上用于推算全断面流量，适宜开展在线监测技术布设方案的优选工作。

2.3 在线监测方案分析

根据上述分析可知，螺山流量测验断面具有代表性区域的起点距范围是100～400 m，左汊流量在全断面流量中占比权重显著，因此可考虑在左岸部署适用的流量在线监测设备监测其代表区域流量，建立与全断面的相关关系，用以提高流量监测的预测与预警水平，并指导常规测验布置。

参照长江水利委员会水文局发布的《流量在线监测方法适应性技术指南》[2]，根据传感器是否接触水体，通常可以将流量在线监测设备分为接触式和非接触式两个大类；按照测流原理又分为声学法、雷达法、图像法及水力学法等。各类非接触式和接触式水文自动测报设备已在不同流域或站点中得到一定的应用，本文对可部署在螺山流量测验断面的设备可行性开展分析。

2.3.1 声学法

声学法可分为时差法和多普勒法，受螺山站测验环境影响，此次以超声波时差法和固定式ADCP为例，进行适应性分析。

2.3.1.1 超声波时差法

(1) 测验对象：可测量水平层平均流速，可多层布设。

(2) 测量范围：2～200 m。

(3) 优点：直接测得代表层平均流速。

(4) 布设难点：① 螺山断面左岸为自然山地，中泓中低水部分有沙洲，右岸为堤防，且水位变幅通常在13 m以上，需要左右汊、低中高水多套部署，且沙洲部分仪器部署困难；② 左汊为主流且是主航道，加之上游临近螺山电排站，仪器易受到干扰；③ 两侧安装难以实现[3]。

2.3.1.2 固定式ADCP

固定式ADCP的测量范围与优点见表6，其布设难点：① 由于螺山断面分汊，右汊浅水较难部署；② 左汊主泓位置在200 m以外、水平式ADCP受断面宽度、水位变幅大的影响需要多级布置；③ 垂直式ADCP中泓附近受船只通航干扰影响较大。结合螺山站水沙特性及断面实际情况分析，单一的一组ADCP无法满足全水位级的测验需求，需要采用多仪器组合布设方式，如部署2个以上水平式ADCP加2个垂直式ADCP的方案，方能满足螺山站流量在线监测的精度要求，主泓或临近主泓部署垂直式ADCP虽然代表线最佳，但因主流在左汊且又是主航道，很难保障仪器的安全采集，因而采用接触法测验受当地环境的制约条件较多。

表6 固定式ADCP的测量范围和优点[4]

2.3.2 雷达法

雷达法常利用点雷达流速仪和雷达侧扫(超高频雷达、甚高频雷达)，其适应性分析如下。

2.3.2.1 点雷达流速仪

(1) 测量对象：水面点流速。

(2) 测量范围：单点。

(3) 优点：① 不受水质、漂浮物影响；② 机动性高，可用于巡测。

(4) 布设难点：① 对恶劣测量条件敏感，② 需要水面存在强反射，③ 低流速测量误差大。

根据该设备的特点，结合螺山站断面实况分析，由于缺少桥梁、缆道等安装条件[5-7]，目前不适用于螺山站使用。

2.3.2.2 侧扫雷达(超高频雷达、甚高频雷达)

(1) 测量对象：水面流速场。

(2) 测量范围：30～500 m。

(3) 优点：可获得水面流速分布。

(4) 布设难点：① 需现场比测标定；② 单站布置效果不理想；③ 左岸断面附近等待过船闸的船只和主航道通行船舶对连续测验存在干扰[8]。

根据设备以上特性，结合螺山站断面实况分析，宜布设双站。

2.3.3 图像法

图像法常见为图像测速法[9-10]。

(1) 测量对象：水面成像测速(RSIV)或水面流速(视频摄像)。

(2) 测量主要影响因素：依赖示踪物的可见性，与偏振滤波方式有关。

(3) 优点：① 时空分辨率高，② 测量范围广，③ 机动性高。

(4) 布设难点：图像测速法依赖于示踪物的可见性且成像环境易受干扰，加之螺山右岸无制高点，左汊江面船只较多，图像测速法部署条件较差。

3 结 论

依据螺山水文站2017～2020年实测流量成果，对其测站特性进行了分析，建立了代表区域与全断面流量的关系，得出起点距585 m垂线和起点距100～400 m范围的代表流速与全断面平均流速相关性较好，相关系数大于0.9，可以作为在线监测的代表流速垂线和代表流速区域，可在其范围内应用本文2.3方案分析中提及的相关设备。布设在线监测系统的仪器组合方式建议如下：

(1) 受水位变幅大、中低水位沙洲导致两侧安装难实现、成本太高等因素制约，不推荐超声波时差法[11]。

(2) 左汊主泓附近布设1台垂直ADCP+1套水平式ADCP，但是主泓布设垂直ADCP特别容易受到通航影响，难以确保长时间稳定采集数据，需要协调航道、海事等相关部门加强维护措施才能有效工作。

(3) 考虑水位年变幅达13 m，分水位级布设2～3级水平式ADCP或分设扫描式ADCP，受左岸避风、等候过船闸的船舶的影响以及螺山泵站排水时对左岸流量的干扰等因素，本方式也难以确保长时间稳定采集数据。

(4) 点雷达法、图像法在本断面缺乏应用条件，也无大江大河的成果案例。

(5) 双站式超高频侧扫雷达，目前在大江大河中成功应用的案例不多，在仙桃水文站的精细比测尚在进行中，中泓以外两侧表层流速的算法也正在探索中，从测速范围大、仪器能长时间可靠运行方面看，解决了精度和算法的优化后本方案具备使用条件。

综上所述，在螺山断面可采用垂直ADCP开展流量在线监测；在解决了精度和算法的优化后，也可采用双站侧扫雷达开展流量在线监测。流量在线监测可用于超标准洪水应急监测，为洪水防御提供支撑。