H-ADCP在跨界河流水量監控上的應用

史向前

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

1 應用背景

1.1 跨界河流水資源問題復雜敏感

我國陸上有15個鄰國，陸地國界總長約1.8萬km，其間廣泛分布著眾多的國際河流，水資源豐富，初步估計出入境水量達7500余億m3。國際河流在我國境內的管理是我國水資源管理的重要方面，開發利用國際河流對穩定周邊關系、維護國家權益、保障國家安全及發展邊疆經濟具有重大意義。

由于全球性的水資源短缺問題蔓延[1- 2]，使得跨界河流水資源的開發、利用、保護與管理日益受到相關國家的高度重視，并已上升為一個敏感的政治問題，成為在處理與周邊國家外交關系時需要慎重對待的一個因素。我國大多地處國際河流的上游區，對國際河流的開發會直接影響到下游相關國家的利益。圍繞著國際河流開發利用問題[3]，我國與周邊有關的下游國如哈薩克斯坦、越南、印度以及湄公河委員會成員國等進行了一系列的磋商與談判，與俄羅斯、朝鮮、孟加拉國的水文報汛和資料交換工作一直在進行，與蒙古共和國之間的邊界水聯合委員會工作會議也在定期舉行。在目前的談判與磋商中，大部分問題都是圍繞水文領域展開的。跨界河流的水文報汛、水文資料交換、水文業務交流與合作已成為我國同周邊國家水資源合作的重要內容，為維護國家利益和促進睦鄰友好做出了積極貢獻。

為及時應對跨界河流所面臨的問題，增強在跨界河流雙邊和多邊談判中的主動性，2001年水利部水文局組織編制完成了《國際河流水文站網建設規劃》。依據規劃，對跨界河流進行一至三期的水文站網建設，完善跨界河流水文站網布局，提高跨界河流水文監測能力，有效地掌握監控水量變化，增強水文測報信息的時效性和準確性。

1.2 傳統水文作業方式不適合跨界河流水量監控

建設初期，由于跨界河流水文設施無法建設，許多流量測驗方法受到了限制，跨界河流水文站流量測驗方式基本上都是船測。機動測船裝配船控測流系統，懸吊測流儀多線定點施測[4- 5]。由于外方對我國界河水文站正常作業及測驗維護等工作的干擾，致使流量測驗等工作不能正常進行，個別站點冬季測驗工作也無法開展，使我方測驗工作存在很大的安全隱患。急需利用現有先進的技術裝備，改進傳統水文測驗方式、以保證我方水文測驗工作的正常開展以及作業安全。

1.3 現代化水量監控技術設備日漸成熟

近年來，國內外水文信息采集技術有了長足發展，自動化水平大幅度提高。許多性能穩定、可靠、精度較高的降水量、水位自動采集設備在國內外都得到了推廣應用，如浮子式水位計、雷達式水位計以及氣泡式水位計等都已在水文遙測系統中普遍使用；非接觸式雷達測流儀、聲學多普勒剖面儀(ADCP)、電波流速儀等流量測驗設備也已在國內外逐步得到推廣。水文數據采集遠傳終端(RTU)的研制成功亦為降水量、水位信息的自動采集、儲存與傳輸提供了技術支撐[6- 7]。

2 H-ADCP概述

2.1 監控原理

H-ADCP即多普勒H-ADCP在線流量監測系統，根據超聲波測速換能器在水中向垂直于流向的水平方向發射固定頻率的超聲波，然后分時接受回波信號，解算多普勒頻移來計算水平方向一定距離內多達128個單元的流速，測量的某一層流速作為指標流速，將所測指標流速與斷面平均流速建立相應關系，再用水位算出過水面積，即可得到瞬時流量[8]。基本原理如下。

斷面流量等于斷面面積乘以斷面平均流速，即：

Q=A·V

(1)

斷面面積通常可表示為水位的函數，即：

A=f(Z)

(2)

斷面平均流速可表示為某一指標流速的函數，即：

V=f(Vn)

(3)

式中，Q—斷面流量；A—斷面面積；V—斷面平均流速；Z—水位或水深；Vn—指標流速。

2.2 數據采集傳輸

H-ADCP流量在線監測系統通過數據采集終端(RTU)采集流速、流量、水位、工況等數據；系統工作體制為平安報、自報(段制需要設定)、加報(需要設定增量)和查詢應答(召測)工作方式；RTU支持遠程下載數據、遠程參數設置、遠程時鐘校準；RTU每天0時自動校時，系統時間統一以服務器時鐘為準。

數據傳輸方式有4種：第一種，通過數傳電臺將數據傳輸到本地水文站，使測站管理、操作人員能及時看到現場數據；第二種，通過GPRS傳送至數據中心服務器，信息中心將數據存儲、分析并輸出、發布；第三種，當GPRS出現故障無法傳輸數據時，自動啟用北斗衛星終端(備用通道)將數據及時傳輸到數據中心；第四種，可以直接接到光纖網絡(局域網)傳輸至本地水文站和數據中心。H-ADCP流量在線監測系統如圖1所示。

3 應用示例

3.1 監控斷面勘選

鴨綠江在遼寧省區段為我國和朝鮮的界河，發源于長白山天池南麓，自北向南流經吉林省長白鎮后折向西流，抵臨江鎮后轉向西南，過云峰、渭源、水豐水電站后流經丹東市，最后注入黃海，總河長816km，河源至中朝國境線70.3km。鴨綠江在我國一側內流域面積為3.2萬km2，在遼寧境內的流域面積為11670km2，河長度241km。流域內高山群立，水系發達，植被良好。主要支流有：渾江、愛河、蒲石河、大沙河等。

監控斷面位于鴨綠江流域下游，河段順直，水流穩定。右岸上游1500m處有安平河匯入，上游41.3km處有水豐電站一座，上游12.3km處有太平灣電站一座。受水庫調節影響，水位變化較大。河段左岸地勢平緩，右岸坡度陡峭。河床底質以砂卵石為主，斷面比較穩定。平水期斷面平均水深在3m左右，洪水期水位變幅3～4m。監控斷面河底地形情況如圖2所示。其下墊面條件、水深條件、地形地勢非常適合H-ADCP建設安裝。

圖1 H-ADCP流量在線監測系統結構

圖2 監控斷面河底地形

3.2 H-ADCP安裝調試

H-ADCP監測平臺設置在監控斷面右岸，換能器固定在距起點33.2m、高程8.60m處，同時能夠滿足低水位監測需要，通過有線電纜連接，采集數據傳輸到專用計算機中，進行控制與監視。經過現場調整，儀器表面水平指向對岸，且與水流方向垂直，儀器傾斜傳感器測量的縱、橫搖角度在軟件監視下調整，確保在1°以內[9-11]。目前H-ADCP的工作方式是連續測量，采樣時間間隔5min，收集的原始數據量較大，同時流速過程受到各種因素影響表現出波動性強的特點。儀器安裝配置專門的行車滑道，使H-ADCP上下行走定位，并能實現在水下制動。安裝位置的基本原則是通過雷達水位計監測水位，PLC接收水位數據，計算水深，根據水深自動控制ADCP的升降，使H-ADCP處于相對水深0.6的位置，波束水平發射，既不出水面也不打到水底，保證大多數水情下的流量測驗。安裝示意圖如圖3所示。

3.3 系數率定

根據H-ADCP的監控原理，欲得斷面流量需建立H-ADCP實測的指標流速與斷面平均流速的相應關系，即所說的系數率定。實際工作中，按水位變幅采用流速儀法實測全斷面流量后，計算出相應水位的斷面平均流速，同時用H-ADCP實測出指標流速，二者建立相關關系。由于監控斷面歷年水位流量關系穩定，可不用實測直接應用每個水位級的斷面平均流速，余下工作就是收集H-ADCP隨機水位級的實測指標流速[12- 13]。

3.3.1H-ADCP指標流速收集與處理

指標流速數據采用2019年6月1日—10月31日之間收集的實測數據，由于每5min采集一次數據，4個月總計有3萬多條數據，數據量比較大。數據量的增大在提高水文資料質量的同時也增加了資料整理的難度。可采用精簡分析法，從大量的水文測驗數據中選出較少的測次來表達水文要素的變化過程，達到減少數據處理量，提高工作效率的目的。一般采用計算機摘錄的方法對資料進行精簡處理。H-ADCP所測得的水文資料時間系列是不平穩的，呈現各種各樣的特性，在資料整編前需要對其進行平滑處理[14- 15]。一般采用小波分析法和均值法等，本次采用均值法進行處理。

3.3.2建立指標流速與斷面平均流速相關關系

數據經過初步處理以后，整理出H-ADCP指標流速與斷面平均流速成果，通過繪制相關圖，得出斷面平均流速與指標流速的關系為y=0.729x+0.249，R2=0.987，為線性關系，擬合度較高。二者相關圖如圖4所示。

圖3 H-ADCP測流系統安裝示意圖

圖4 H-ADCP指標流速與斷面平均流速相關

4 結論與建議

(1)H-ADCP的應用能及時測出河流流量等數據，同時減輕了值守人員的測驗工作量，特別是針對受水利工程影響的監控斷面，在提高數據精度方面有較大的優勢。在日常測驗工作中要加強H-ADCP運行狀態的檢查和巡視，及時發現故障并予以排除，確保H-ADCP所測數據的質量和完整性。

(2)根據監控斷面情況、河流特性、水位變幅等測驗條件，合理確定H-ADCP安裝位置、配置參數和比測方案，提高儀器的測驗性能和工作效率。當發生枯水或高洪等超出H-ADCP測驗范圍時，應做好補測工作。

(3)H-ADCP資料整編時，由于數據較多，同時流量成果比較散亂，在數據處理時需要采用合理的處理方法，同時應結合測流情況使用多種整編方案，綜合運用、互為補充，細化數據誤差分析，提高整編成果質量。