浮標式ADCP在竹銀水文站的比測試驗

□楊林輝（中山水文測報中心）

0 引言

珠江流域出海口是“三江匯聚，八口分流”，是世界上最為復雜的三角洲之一。磨刀門水道是西江干流主要出海口門，北起廣東省江門市新會區大鰲鎮百頃頭，流經中山市與新會區、斗門縣邊界，南至珠海市洪灣企人石入海，全長54 km。磨刀門水道屬強徑流弱潮流河口，且明顯受海洋潮汐影響，其年徑流量和年輸沙量均為八大口門之冠，年徑流量923億m3，占八大口門總量的28.3%，在珠江三角洲水系中占有極為重要的地位。上游河段竹洲頭至燈籠山長期保持小喇叭狀和多沙洲特點，下游河段燈籠山至大井角原屬淺海區，分布著許多沙洲和淺灘。磨刀門水道由于其充沛優質的徑流資源而成為中山、珠海、澳門等地的主要供水水源地，沿岸有稔益、潮聯、平崗、南鎮、全祿、廣昌等水廠與泵站，并有新建的竹銀水庫取水口。

三角洲網河區在徑流和潮流的共同作用下，一年中大部分時間水流為雙向往復流，因受潮汐影響，每日水位有兩漲兩落周期性變化，進行流量測驗和推算的難度較大。

1 浮標式ADCP測流系統的內容

為了掌握磨刀門水道流量等水文要素情況，配合珠海市水資源實時監控與管理系統，充分利用磨刀門水道水資源量，解決枯水期對珠海城市和對澳供水的矛盾，提升珠海市水資源管理水平，為珠澳兩地應對突發水污染（咸潮）事件的應急處置提供及時、科學的決策依據，建設磨刀門水道流量等水文要素監測站點（浮標式ADCP測流系統）。此外，磨刀門是主流，算清水量對中山、珠海以及對澳供水等均有重大意義。浮標式ADCP測流系統能滿足這方面的需求。

竹銀水文站的測流斷面位于基本水尺斷面，有較長系列的流量測驗資料和穩定的流量關系，該斷面寬約620m，河段上下游順直，長度約2 km，沙質和淤泥質河床，斷面較均勻，水深較大，沖淤變化較小，竹銀站最高水位2.62m，發生在2008年9月；最低水位-0.97m，發生在2007年2月；最大潮差3.02m；竹銀站左岸有土堤，右岸為山邊較高灘地，堤防防洪標準是20年一遇。竹銀斷面上游約3.50 km處右岸為螺州溪分流口，下游約10m處，有一過河渡口，下游約130m處，右岸有一小涌，溝通螺州溪，涌口筑有水閘控制，與下游燈籠山站之間沒有大的支流匯入,石歧水道已建閘控制，因此，竹銀斷面基本上能控制磨刀門水道的出口流量。

2 測量方法

浮標式ADCP測流是目前較為先進的流量測驗方式，是依據斷面代表垂線方法（固定位置），以先進的聲學多普勒流速儀ADCP在該固定垂線上施測垂線平均流速，通過垂線平均流速與斷面平均流速相關關系推求斷面流量。由于三角洲頂部三水站、馬口站之下沒有流量站，僅靠分流比推算各河汊流量，且分流比驗證非常復雜，需各河汊同步測驗，需大量的人力物力等，目前無人值守流量測驗較多的是固定式ADCP，但其受安裝條件的限制，要求較高，且受近岸水流影響較大，目前推廣浮標式ADCP在磨刀門水道竹銀水文站使用。浮標式ADCP投放在斷面代表垂線上，定時對垂線各分層流速、流向進行實時采集，通過GPRS傳輸，中心接收軟件對各層流速、流向進行算術平均求得垂線平均流速和流向，根據垂線法的流速與走航式ADCP施測斷面平均流速建立相關關系，可以推求出斷面平均流速，再根據當時水位查算斷面面積，從而可以得到整個斷面實時流量。

3 浮標式ADCP測流系統簡介

浮標式ADCP測流系統中的浮標體是整個系統的平臺，承載系統的所有儀器設備，為儀器設備提供可靠的運行環境和安全防護，便于技術人員維護操作儀器，浮標體采用杜邦公司Surlyn超強離子聚合泡沫膠做為浮體材料，極耐碰撞，為美國國家海洋及大氣局國家數據浮標中心及美國海岸警衛隊航標及數據浮標首選浮標物料。具備如下性能特點：

重量輕、剛性強、浮力高，隨波性好、結構簡單、可靠性高、載重量大，便于投放和回收；彈性好，具防撞自體保護性能，碰撞時不會損壞碰撞物（如船只等），自身也不損壞、不沉沒，并能有效保護測量儀器；低表面，抗腐蝕性強，能抵抗海洋生物沾附。耐受極端海洋環境如臺風、暴風雪等惡劣氣候能力強；浮體平臺上部不銹鋼支承架，用于安裝太陽能板、數據傳輸天線、警示燈標、雷達反射器等，以及浮標吊裝、維護支撐等。

密封防水電控艙；內置數據采集控制器、蓄電池以及狀態傳感器，電控艙不銹鋼底部透過穩定硾直接與水體充分接觸，平衡艙內溫度在適當水平，防止夏天高溫損壞儀器設備。采用抗氯離子腐蝕的316 L高強度不銹鋼電控艙，艙壁厚10mm，艙蓋厚10 mm，抽真空密封測試，防護等級為IP68，耐受沖擊和碰撞，所有外接端口和測試口均為軍隊規格，密封性能極佳，野外操控性極好。艙內裝有溫濕度傳感器，用于測試艙內溫濕度，監控電控艙滲漏以及溫度異常。

4 ADCP流量比測試驗

數據對比分析采用走航式ADCP與浮標式ADCP進行比測，比測方式包括垂線平均流速對比、浮標位置偏移等，分析各種誤差及范圍，推求垂線與斷面平均流速關系，最終達到以浮標測得的垂線平均流速推求斷面流量的目的。

2012年9月18日至10月29日在磨刀門水道竹銀水文站浮標式ADCP測流系統投放斷面進行試驗和比測分析，根據測驗期間潮水位的變幅情況，按河道水流受潮洪雙向影響的水流特征，分大潮、小潮和平潮期3個階段，使用走航式ADCP與其進行比測率定代表線工作，有效測點不少于30個，以率定垂線指標流速與斷面平均流速的相關關系。測量前，根據斷面的實際情況對測量參數進行設置。按照原定潮流量測驗方案進行測驗。比測時間，每天從早上8:00至晚上8:00、在整點或半點前10 min開始，每隔半小時施測1次流量。考慮到河面較寬，測驗時間較長，而且水流變化復雜，為了取得更精確的流量值，在水流變化穩定時，進行兩個測回的斷面流量測驗，在水流變化較大時，只測1個測回，取其平均值作為施測流量值。在每次測流結束時現場對流量數據進行分析，當發現每半測回的流量值與平均值的偏差>5%時，及時復測。浮標式ADCP斷面平均流速與指標流速關系如圖1所示。

5 成果分析

5.1 大斷面測量

根據項目的實際進度情況及具體工作安排，于2012年9月23日使用測深儀、全站儀（交會法）對竹銀水文站浮標式ADCP測流系統測流斷面進行了大斷面測量工作。測量時，采用往返測的形式對兩種測量成果進行比對分析，誤差范圍不超過±3%，符合水文規范的要求，確定采用返測成果作為計算流量的面積。

5.2 實測斷面平均流速計算分析

采用M9施測斷面流量，為了取得更精確的流量值，取2個測回平均值作為1次流量測驗成果。根據實際情況，本次率定共收集了38個測點，并均勻分布在不同的流速級。結合測驗時的水位以及相對應的面積，計算出相應的斷面平均流速。

5.3 垂線流速資料分析

根據M9的測驗平均時間，采用浮標ADCP數據后處理軟件對浮標ADCP數據進行回放處理，提取垂線各分層單元的流速，并根據垂線流速分布情況進行合理性分析，最后確定相應時間的垂線平均流速作為指標流速。

5.4 垂線與斷面流速關系率定

根據M9測量的斷面流量，計算出相應的斷面平均流速，與相應時間的浮標式ADCP測得的垂線平均流速數據（指標流速），建立相關關系，并分析相關關系的密切程度，查找最佳相關關系。

本次比測率定共收集38個測點，且均勻分布在不同的流速級。經率定，得到關系式為y=1.09x,R2=98.11×10-2,合格率為81.60%（誤差<±10%為合格），滿足規范的要求。

6 結語

浮標式ADCP自動流量測驗系統在珠江三角洲的應用，創新了浮標在水文要素收集方面的方式，最大的優點就是移動性強，特別適合網河區巡測和船只較多的河道斷面，投入資金也相對較少，運行成本低。由于該系統投放位置環境偏僻，水流復雜，潮汐流向轉換較快，浮標式ADCP測流系統仍要不斷進行不同流態下水流特性的比測率定分析工作，至少每年進行1次不少于10個樣本、均勻分布的單～斷流速校驗工作，才能保證獲得較為精確的流量數據。

[1]趙小慶,肖琳娜.聲學多普勒在水文測驗中的應用[J].湖南水利水電,2009(04).

[2]章樹安，陳松生.ADCP流量測驗與誤差控制[J].東北水利水電,2002（4）.