走航式ADCP在防洪應急搶測中的應用與分析

（安徽省宿州水文水資源局 宿州 234000）

1 引言

隨著水文監測改革的不斷深入，對先進儀器的使用和推廣提出更高要求，走航式ADCP作為目前最先進的測流儀器之一，具有測流時間短、操作簡便、精度高等特點，為水文勘測隊的巡測和應急搶測提供有利的技術保障。宿州水文局作為安徽省水文監測改革試點單位，成立了宿州和淮北水文勘測隊，以巡測、駐測、應急監測和購買服務相結合的水文監測管理模式，實現對測區內各類水文監測站點的水文要素實行監測。

本文按照巡測方案要求，采用走航式ADCP和傳統的轉子式流速儀進行應急搶測與比測，并對兩種測流儀器的精度和效率進行分析。通過曼寧公式反算糙率，建立了水位糙率經驗模型公式，對特征水位下的流量進行推求，為水文監測改革提供技術支撐。

2 測區概況

宿州水文局共劃分為3個測區，分別為宿州水文勘測隊、淮北水文勘測隊和靈璧水文勘測隊，目前宿州、淮北水文勘測隊已運行，靈璧水文勘測隊待審批。

宿州水文勘測隊測區范圍為埇橋區行政區域范圍，面積約2868km2。測區內現有3個基本水文站、3個中小河流防汛專用水文站、4個水位站、22個雨量站、25個國家地下水位站、10個水質監測斷面、2個人工墑情站和2個自動墑情站。

淮北水文勘測隊測區范圍包括淮北市的三區一縣（相山區、杜集區、烈山區、濉溪縣）及宿州市的蕭縣和碭山縣，面積5819km2。測區內現有4個基本水文站、2個水位站、3個中小河流防汛專用水文站、4個防汛專用水位站、65個雨量站、71個國家地下水位站、23個水質監測斷面、7個人工墑情站和10個自動墑情站。

靈璧水文勘測隊測區范圍為靈璧縣和泗縣行政區域范圍，面積約3841km2。測區內現有3個基本水文站，1個基本水位站、2個防汛專用水位站，40個雨量站，28個國家地下水位站，13個水質監測斷面，3個人工墑情站和4個自動墑情站。

3 ADCP測流基本原理

3.1 ADCP測流原理簡介

ADCP是專用于測量斷面的水流速度和方向的聲學設備。ADCP 向水中發射固定頻率的聲波短脈沖，這些聲脈沖碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）將發生散射。被散射體反射回的聲波被ADCP接收到，當散射體有相對運動，其反射的聲波在頻率上有一定的變化（頻移）（即多普勒效應），ADCP接受回波信號并分析處理頻率變化，得到流速。

在使用時，ADCP將從上到下的整個水柱劃分成若干個深度單元；走航過程中，一臺ADCP相當于許多臺單點流速儀，發生很多波束（測量很多的水柱）；從每個波束接收到的回波信號可分別得到各深度單元的水流東向、北向和垂向速度分量。各個深度單元的流速數據組合成流速斷面。

3.2 ADCP流量測驗注意事項

3.2.1 參數設置

ADCP最好在很長時間不用或者儀器出現異常的時候，再進行自檢。自檢可以使用BBtalk軟件或者是測流軟件中自帶的自檢功能。盲區的設置應不小于廠商推薦的最小盲區。比如換能器入水深度不能小于0.06m，要根據實際使用情況確定。深度單元尺寸（WS）應不小于設備允許的下限，深度單元數（WN）不超過設備允許的上限，同時WS·WN≥最大水深。岸邊流量的估算，應正確選用岸邊流速系數。岸邊流速系數α值選取見表1。

3.2.2 測流過程

使用ADCP測流時要嚴格按照聲學多普勒流量測驗規范，操作需注意以下幾點：（1）各測次的起始點和終點都必須在斷面上并保持固定，找出兩岸有效深度單元等于2的位置，并做標記，表示斷面流量開始、結束的位置。（2）在左岸和右岸最少有2個有效深度單元處有流量數據的地方，停在此處保持穩定，等待岸邊的10個數據被記錄，目的是提高在兩岸邊測流盲區估算流量的精度。（3）測船橫渡速度宜接近或略小于水流速度。（4）左、右岸邊距要實測，可采用測距儀或者簡易繩尺。（5）流量相對穩定時，應進行兩個測回斷面流量測量，取均值作為實測流量值。（潮）流量在短時間內變化較大時，可適當減少測回。一般宜完成一個測回，特殊情況可只測半測回，但應作出說明。

表1 岸邊流速系數α值選取表

4 應用與分析

4.1 走航式ADCP在應急搶測中的工作效率和精度分析

受臺風“溫比亞”影響，宿州、淮北兩市2018年8月18～19日出現特大暴雨。本文以“溫比亞”臺風引起的大洪水為契機，分別采用走航式ADCP和傳統的轉子式流速儀對中小河流防汛專用水文站進行應急搶測，并在有測流纜道的基本水文站進行同步比測（流速儀用纜道測流，走航式ADCP采用第二套測洪方案在橋上測流），走航式ADCP在應急搶測中的工作效率見表2，走航式ADCP與流速儀比測結果見表3。

從表2可以看出，隨著流速儀測流垂線越多，二者的測流歷時差距越大。當水面寬相近時，走航式ADCP測流時間比流速儀測流時間少兩倍多。從操作人數上看，走航式ADCP測流需要2人，流速儀測流需要3人，走航式ADCP比流速儀操作簡便，更符合應急搶測的要求。由表3可知，在團結閘閘上交通橋用走航式ADCP測得流量為1170m3/s和1110m3/s，在閘下游750m纜道測流斷面用流速儀測得流量為1180m3/s和1090m3/s，兩次比測流量誤差為0.85%和1.8%，而在符離集閘水文站比測流量誤差為0.3%，比測結果誤差符合規范限差，走航式ADCP測流符合精度要求。可見，在實際應急搶測中，采用走航式ADCP進行測流是切實可行的。

圖1 流量測驗斷面圖

圖2 水位與糙率擬合曲線圖

4.2 水位流量關系系列的延展

4.2.1 水位糙率曲線擬合

本文以中小河流防汛專用水文站淮紡閘為例，根據流量測驗規范，所選測流斷面位于淮紡閘下游2km濉河路橋，河面寬闊，河道順直，河道水流基本穩定。由于河道近期已重新治理，測流斷面形狀為較規則的倒梯形，河槽為卵礫質河床，河岸為粉砂質土質，有茂盛植被覆蓋，流量測驗斷面見圖1。

根據“溫比亞”臺風引起的洪水實測流量資料，下游最高水位出現在8月19日，對應的最大流量為588m3/s，實測最低水位出現在8月24日，對應實測流量為101m3/s，此最高最低水位是同一個洪水過程。遴選洪水過程中較具代表性的一組水位—流量數值，利用曼寧公式反算糙率值n，計算結果見表4。

由上述計算結果，建立水位—糙率關系，并對實測點進行指數函數曲線擬合，擬合曲線見圖2。

擬合方程為：n=94.18e-0.273h

相關系數為：R=0.93

由擬合曲線對實測水位下的糙率進行計算，進而計算流量，將計算流量和實測流量進行對比。例如實測水位H測=32.01m，通過擬合曲線計算糙率n=0.01509，計算流量Q計算=451m3/s，而實測流量為Q實測=435m3/s，二者誤差為3.7%，誤差符合水文規范限差。擬合曲線的相關系數R=0.930，說明水位與糙率相關性很強，證明樣本擬合曲線和實際曲線的相似性良好。

表3 走航式ADCP與流速儀比測結果表

表4 糙率計算過程表

4.2.2 水位流量延展

此次“溫比亞”臺風引起的大洪水在測流斷面最高水位為32.47m，最低水位為28.91m。經過水文調查，測流斷面河道保證水位為33.04m，通過糙率模型計算得洪峰流量Q洪=772m3/s。對照規劃設計資料，保證水位下最大流量為807m3/s，與計算的洪峰流量誤差為4.3%，誤差符合水文規范要求?？梢姡捎盟徊诼是€對特征水位下的流量推算是切實可行的，從而達到水位流量關系系列延展的目的。

5 結語

本文以“溫比亞”臺風引起的大洪水實測流量資料為基礎，采用走航式ADCP和傳統的轉子式流速儀進行應急搶測與比測，結果表明走航式ADCP測流時間短，操作簡便，精度符合規范要求，更適用于測區的巡測和應急搶測。采用曼寧公式反算糙率建立了水位糙率經驗模型公式，通過應用在中小河流防汛專用水文站水位流量延展，結果表明水位與糙率相關性強，計算誤差符合水文規范要求，可為對特征水位下的流量推求，預報未來洪水提供借鑒。

由于實測數據序列長度有限，無法精確擬合水位與糙率曲線，更進一步計算糙率需要在以后的研究中繼續增加實測數據，對水位—糙率曲線進行修正