感潮河段流量泥沙監測：測驗方法和數據分析處理

卞志華

浙江華東測繪地理信息有限公司 浙江 杭州 310014

1. 感潮河段特性

潮汐長波進入河口后，不但受水深漸減及兩岸收束的影響，且因河水下泄使潮波的推進受到阻礙，因此河口的潮汐現象也較一般復雜。

對于大江、大河入海口的感潮河段，由于感潮河段地區受到徑流和潮汐的雙重作用，水位流量關系較為復雜。常規方法測流在該類型流域數據往往不精確，針對特殊流域的測流，需研究針對感潮河段流量、泥沙測驗方式。

2. 感潮河段測驗方案

2.1 固定垂線位置的選擇

選取已有的走航式ADCP所測的具有代表性的流量數據。分別將不同起點距的流速與斷面平均流速建立一元線性回歸方程，并求得模型相關系數，分析其線性相關程度。隨后將與斷面平均流速線性關系較好的位置的流速再次建立關系，進行多元線性回歸分析，確定出斷面某處安裝浮標式ADCP最適合的位置。通過分析斷面平均流速及其與斷面平均流速相近的垂線斷面位置，選取在斷面位置作為典型ADCP布設位置。

選取了某一刻的數據，以走航式ADCP測得的斷面原始數據，從而分析每一點的流速情況。

2.2 ADCP布設方案

根據實際情況及其斷面和水流的特性條件，在基本水尺斷面處建立多個浮標垂直ADCP固定裝置以及多個固定式ADCP（H-ADCP）或可移動式水平ADCP。

固定式H-ADCP布置有利于保證儀器設備的穩定性，減少磨損，但只能做到定點測量流速，所獲取的數據需要較為復雜的計算。

2.3 浮標布設方案

一方面浮標可以保證水文監測設備的長期、定點觀測，另一方面浮標可以作為航標裝置進行通航使用。根據ADCP的布置方案，分別在距離起點距不同位置的位置布置多臺相應的浮標裝置。浮標系統可以搭載ADCP、OBS等水文觀測設備及其監測系統，浮標的設計可起到保護水下ADCP和OBS等貴重儀器的作用。

2.4 雷達波測流布設方案

無線固定式雷達波測流是作為流速測量的備用儀器，當ADCP損壞或者遇到極端惡劣天氣等情況時，可以啟用雷達波進行測流。在附近大橋上布設均勻分布的雷達波測速探頭，獲取多條測速垂線表面流速。

定點在線雷達波測流系統主要由S3-SVR流速傳感器總成或Decatur SI-3L 雷達表面流速傳感器總成、測流控制器和太陽能供電設備組成，由通訊模塊發往遠程中心站。

流速傳感器總成的安裝：為保證監測數據質量，在安裝過程中需保證探頭與水流方向平行一致（水平角0°），探頭前端逆水流方向并與垂直方向夾角為45°，并且探頭前端不得有阻擋物干擾水流流態。

懸掛于懸臂（支架）的測流總成（內含雷達波流速傳感器），固定在測流斷面上方，測量垂線表面流速，配合斷面形態實時計算出流量并發送至服務器中，即可通過基于WEB的客戶端及手機客戶端進行實時查看。由太陽能板為其充電，具有免維護性。

2.5 泥沙實時監測方案

泥沙監測通過光學后向散射濁度計與橫式采樣器兩種監測設備來實現對該地區的泥沙濁度檢測。

光學后向散射濁度計是通過接收紅外輻射光散射量來觀測懸浮顆粒。采用固定一垂線混合法進行測驗，輸沙率測驗采用橫式采樣器取樣、在浮標位置及其水平ADCP平臺處布設垂線、每條垂線3點取樣、混合處理測驗，測次分布應能控制含沙量的變化全過程。隨后將OBS所測得的數據與橫式采樣器取樣所測得的數據進行泥沙含量與懸濁度關系的率定，建立水體濁度與實測懸沙含量之間的相關關系，從而得到懸沙含量。之后使用OBS進行檢測。

考慮到河流泥沙監測點位置具有較強代表性，因此泥沙監測使用浮標體作為載體建設泥沙監測浮標系統。浮標體承載光學后向散射濁度計等測量儀器、數據采集傳輸系統、太陽能供電系統以及安全保護系統。

3. 通訊系統

系統可采用多種有線/無線通信模式。在設定水深、流速超限或低限報警的前提下，系統可直接發送報警短信到監控室或主管人員的手機上，實現緊急報警功能。

4. 潮流/徑流分離方法

實現潮流/徑流分離的技術路線：

圖4 -1 潮流/徑流分離技術路線圖

4.1 潮流調和分析

基本原理：將流速觀測值表示成余流、潮流及觀測噪聲之和．對于某一水深，流速東分量u(北分量v與之類似)可表示為：

式中：u(t)為t時刻的流速觀測值；U0為余流，河口地區亦稱徑流；m為分潮個數；ω為分潮的角速度；b，c為對應分潮的調和常數；ε(t)為觀測誤差，具有隨機特性．（注意，這里的u和U同指標流速法里面的含義不同）。

獲得了余流東分量U0為和北分量V0，將二者矢量和投影到主流方向得到余流流速U'，類似地方法獲取斷面面積A，即可獲得河口地區的徑流量Q= U'*A。

5 ．結束語

分別從垂線位置選擇、ADCP、浮標、雷達波布設方案和泥沙監測方案等五個方面來進行論述。并闡述了潮流/徑流分離的方法。

通過分析比較，采用適合的垂線設置儀器，所測得的流量、泥沙數據更為精確。采用浮標裝置，方便人工維護儀器，同時與海事部門合作設置為航道的航標。考慮大橋的實際情況，采用合適方式安裝雷達波進行測流，所選取的雷達波流速傳感器在極端條件下也能實現對大流速的實時監測。