浮標式無人值守流量測驗方式的探索

◎ 鐘紅偉　廣東省水文局馬口水文站

浮標式無人值守流量測驗方式的探索

◎ 鐘紅偉廣東省水文局馬口水文站

采用哨兵式600K ADCP在三水站進行代表線垂線平均流速實時監測，通過與走航式ADCP同步測流進行驗證，建立代表線垂線平均流速與斷面平均流速關系，結果表明能滿足測驗精度的要求，適宜在珠江三角洲網河區受潮汐要素影響的站點推廣應用。

哨兵式600K ADCP 垂線平均流速實時監測 代表線法 驗證 珠江三角洲 推廣應用

1.前言

我國的珠江地區水資源豐富，水系分布較多，而且受到上游來水與下游潮汐的影響作用，再加上當地人民不斷破壞生態環境，從而導致當地的水流運動情況非常復雜，而采用傳統的水文觀測技術不僅數據測量的準確性較差，且觀測技術人員的工作量較大，因此無法對水文資料數據進行全面收集與記錄。針對這種情況，我國廣東省水文局佛山分局2008年2月25日向水利廳科教處申請采用無人值守浮標自動在線流量監測項目，于2008年12月17日得到上級批準立項。本項目立足于先進儀器和非常規測驗方式相結合，改變傳動的流量測驗方法，采用哨兵式600K ADCP與浮標相結合，安裝在三水站進行應用研究。

2.浮標式無人值守流量測驗系統原理

通常而言，浮標式無人值守流量測驗系統簡稱為ADCP，這一技術系統在工作運行時主要結合聲波頻率的變化情況，通過對相關的數據進行分析，從而對水文現象進行分析判斷。在實際的觀測過程中，技術人員主要利用多普勒頻移原理對不同數據觀測點的觀測結果進行分析。一般而言，當技術人員在聲源移向部位進行數據觀測時水位變高，而在聲源遠離處進行觀測時，水位變低。在此變化過程中水位的高低變化同樣也會引起水流量與水流速的變化，在這一數據監測系統中，通過數據轉化器將數據發射功能與數據接收功能結合在一起，技術人員因此根據每一個固定的聲波頻率對水體中的泥沙以及氣泡等顆粒物散射傳輸回來的聲波進行識別和判斷。如果水體流速=水體中的顆粒物，因此水體中的泥沙以及氣泡等顆粒物移動接近轉換器時，接收裝置中接收到的數據頻率要高于發射器的數據發射頻率；當水體中的泥沙以及氣泡等顆粒物移動背離轉換器時，轉化器中接收到的信息數據頻率要低于發射器中發射數據的頻率，因此從這一運行變化原理中可以看出，浮標式無人值守流量測驗系統的發射頻率和回波頻率之間存在，

其中：

v—顆粒物沿聲束方向的移動速度，m/s

c—聲波在水中的傳播速度，m/s

浮標式無人值守流量測驗系統的聲波換能器位于同一水平面，因此在實際的數據檢測過程中主要通過指標流速法自動監測水道斷面流量。這一技術的主要運用原理是根據水道斷面的局部流速推斷水道斷面的平均流速。通常情況下利用單點流速推斷水道斷面的平均流速，而指標流速采用垂線平均流速進行表示。本次觀測試驗時充分根據水道斷面具體情況，將歷年標準監測位置840米作為本次試驗監測的基點，主要利用浮標式無人值守流量測驗系統對水深10m～15m處的水道斷面進行觀測分析，指標流速選用該斷面垂線平均流速進行表示。

3.三水水文站概況

三水水文站位于廣東佛山珠江三角洲網河區頂部，是我國一類重點站之一，同樣也是北江進入三角洲的控制站，監測項目主要有水位、流量、降水、懸移質泥沙與顆粒分析等，是典型的潮洪混合站，汛期受北江上游洪水影響，枯季受潮汐要素影響，汛枯相連季節受潮洪混合影響。汛期一般采用走航式ADCP或流速儀12條垂線2點法施測洪水流量，采用水位～流量關系曲線推流；枯季的潮流量測驗采用組合方式代表線法施測，根據多年的代表線驗證，選用起點距為840米的垂線位置，潮流量測驗一般采用流速儀2點法逢整點施測，在轉潮附近和負流部分逢30分鐘加測一次，測速歷時均大于100秒。

三水水文站測流斷面位于基本水尺斷面下游約380米處，斷面主槽為規則U型，兩岸有較大的灘地，主槽受上下游挖沙和水流沖刷的共同影響，近幾年有明顯的下切趨勢，同級水位下流量逐年增大，枯季漲潮流有逐年增大的趨勢，引進浮標在線自動測流系統主要解決枯水期潮流量測驗，替代目前使用代表線流速儀船測的方法，并且能較好地反映整個潮流的變化過程，對資料質量有一定的提高。

4.浮標式ADCP在線測流系統的安裝調試

4.1浮標式ADCP在線測流系統的安裝浮標式ADCP在線測流系統為駿馬牌哨兵型600kHzADCP設備。豐水期，在設備安裝時將這一設備安裝于測流斷面中，枯水期儀器安裝距離測流斷面右岸間隔100米，通過直徑與長分別為Φ250mm與45m的錨鏈，在測流斷面的上下游各拋二個一噸重的水泥沉塊，把浮標固定在本站測流斷面起點距840米處，水流流動和水面風向基本不影響浮標在斷面的位置。安裝完畢，將哨兵型ADCP數據線、GPS數據線、GPRS通訊線及其他輔助設備線連接到數據采集器，接通各個設備的電源。

表1　比測誤差統計

表2　時段潮量誤差統計表

4.2浮標式ADCP在線測流系統的參數設置

結合當地具體的水文情況，對哨兵型浮標式ADCP在線測流系統軟件相關運行參數進行科學設置：

哨兵型ADCP入水深度：1.0m

浮標式ADCP在線測流系統指標流速采樣單元參數為0.5m

浮標式ADCP在線測流系統最大單元層數設定為40

浮標式ADCP在線測流系統采樣周期與采樣間隔分別設定為10s與1800s。

5.比測率定分析

5.1測驗方法

5.1.1流速

采用傳統的懸索流速儀定點法，根據ADCP儀器設定的時間同步進行流速比測，以常規流速儀法測得流速為準。

5.1.2流量

根據哨兵型ADCP設定的測驗頻率，對流量測驗時利用船載走航式ADCP在線測流系統進行同步測驗分析。結合實際的水流情況，選擇恰當的時間段進行觀測分析，1.0m/s～3.0m/s為測船航速。汛期與枯水期分別按洪水漲落情況與潮別類型進行科學測驗分析，流量測驗沿本站測流斷面往返走測一個完整的周期，目測估算起始位置與終了位置。在此測驗過程中，一個完整的往返流量誤差需要嚴格控制在±5%范圍內，該斷面流量取其平均值，計算斷面平均流速時還需要采用平均值再除以過水面積；如果測驗指標誤差超限，則需二次返測，以此判斷短時間內流量變化情況。流量測驗的目的是取得該次流量相應的斷面平均流速，與浮標固定式ADCP所測的垂線平均流速建立關系。

5.1.3潮流量

選取本站進行潮流量組合測驗（流速儀法）的資料成果與浮標式ADCP測流系統的資料成果進行比對，分別計算潮期潮量，以分析總水量是否平衡。

5.2浮標式ADCP在線測流資料整理分析

5.2.1浮標式ADCP在線測流流速比測分析

流速比測時要選擇不同水流條件下的檢測時段，按照常規流速儀法測得垂線平均流速為準，與哨兵型ADCP同步流速比對，比測誤差如表1所示。結果是令人滿意。

5.2.2流量率定分析

2009年9月～2010年3月期間，組織人力進行流量實時比測，比測成果見下表。本次率定測驗工作共收集83個測次，流量率定期間水位變幅為-0.35m～0.87m，-0.23m/s～0.45m/s為斷面平均流速變幅。這一變化幅度采用計算機定線和誤差分析統計，結果表明定線精度符合具體的標準要求。

5.2.3潮流量分析

選取2009年10月18日至11月4日潮流量組合測驗資料與同期浮標式ADCP測流系統的資料進行對比，時段潮量誤差見表2。

根據上表資料的分析，個別潮期潮量略有差別，主要是計算時間和代表線關系不同造成的；但對于整個潮期來說，漲潮量誤差為3.2%，落潮量誤差為0，凈泄量誤差為-1.4%，水量基本平衡，大大小于水文規范規定的±5%的誤差，完全滿足水文規范的要求。

6.結論

（1）從以上研究過程不難看出，浮標式ADCP測流系統技術較為先進，檢測數據結果準確，而且便于安裝，運行成本不高，運行維護較為容易，與此同時這一設備在數據檢測過程中受外界干擾較少，檢測適應性較強。

（2）代表線法與浮標式ADCP測流系統的潮流量測驗方法一致，浮標式ADCP斷面平均流速與指標流速關系線采用三線檢驗，定線精度與預定的標準要求一致。

（3）浮標式ADCP測流系統的成功使用，將徹底改變以前潮流量測驗的方式，有效減少測站的工作量，同時實現全年流量在線監測，能準確反映本站的水流特性，從而為珠江三角洲網河區水文預報與測驗奠定了重要的技術基礎。

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