水平式ADCP在羅定江羅定古欖水文站的應用研究

莫鈞雯

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 測站概況

1.1 基本概況

羅定古欖站設于羅定江中上游，建于1958年5月，位于羅定市連州鎮古欖村，是羅定江的區域代表站，斷面以上集雨面積為936 km2，至河口距離為129 km。該站為搜集水文資料，水文情報預報而設，屬國家二類精度水文站，主要測驗任務有水位、流量、降雨量、蒸發量觀測等。

1.2 測驗斷面

羅定古欖站測驗河段比較順直，長約為370 m，河寬約為50 m，河床為沙石組成，斷面基本規則、穩定，無漫灘現象。斷面上游約200 m處為一急彎，下游約170 m處是峽口，水流開始擴散，主流集中偏于右岸，兩岸為巖石、粘土，不易沖刷。斷面上游約8 km處有新榕電站，下游約70 m處有拱橋(古欖橋)，兩岸無民船停泊，斷面上下游兩公里內無較大的支流加入。低水測驗受上游電站蓄、放水影響較大。

1.3 水文特征

羅定古欖站多年平均水位為4.30 m，歷史最高水位為1972年11月的12.03 m，流量為1 860 m3/s，流速為4.93 m/s；歷史最低水位為2012年4月為3.33 m，實測最小流量為1971年3月的0.46 m3/s(羅定古欖水文站水位高程使用凍結基面，該站基面關系式：凍結基面以上米數+52.594 m=珠江基面以上米數)。

2 比測試驗

2.1 比測目的和方法

根據《河流流量測驗規范》(GB 50179—2015)[1]和《聲學多普勒流量測驗規范》(SL 337—2006)[2]，通過HADCP與轉子式流速儀的53組同步流量測驗比較，率定儀器相關使用參數取得試驗數據，并通過比較分析，確定HADCP是否適用于羅定古欖水文站的測驗環境以及驗證HADCP在替代傳統流速儀測流的可行性和優越性，解決常規流速儀測流耗時長以及勞動強度大的問題。

以HADCP施測的指標流速V指標與纜道所測流量計算出的斷面平均流速V平均建立相關關系，再根據相關關系計算出關系線上的查線流速V查線，即率定得到V查線=f(V指標)關系式。為了使HADCP與纜道測流率定資料時間同步，指標流速選取了與纜道測流平均時間最接近的HADCP所測的數據參與率定分析。

2.2 HADCP工作原理

HADCP測流傳感器是根據聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源遠離觀察者時變低的多普勒頻移原理測量水體流速的，每個換能器既是發射器又是接收器。每個換能器發射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物(如泥沙、氣泡等漂浮物)散射回來的聲波。假定水體中顆粒物與水體流速相同，當顆粒物的移動方向是接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發射頻率高；當顆粒物的移動方向是背離換能器時，換能器接收到的回波頻率比發射頻率低，發射頻率與回波頻率存在差值，差值確定：

fd=2fδ(v/c)

(1)

式中fd為聲學多普勒頻移，kHz；fδ為回波頻率,kHz；v為顆粒物沿聲束方向的移動速度,m/s；c為聲波在水中的傳播速度,m/s。

2.3 儀器安裝位置

遵循儀器選址原則，結合羅定古欖站實際地形、流態等情況，選擇將HADCP安裝在左岸位于基本測流斷面上游15 m，起點距23.0 m處，(以流速儀測流斷面零樁起算，HADCP安裝位置示意見圖1)，并設立防控區，安裝高程為1.91 m。

羅定古欖水文站歷年大斷面見圖2。

圖1 HADCP安裝位置示意

圖2 羅定古欖水文站歷年大斷面示意

2.4 儀器參數設置

通過儀器試安裝調試的回波強度變化分析(如圖3所示)，初設的主要參數是：代表流速采樣在1～24個單元格范圍內，采集區間在起點距18～52.5 m，采樣歷時為120 s，采樣間隔為600 s，盲區為 0.4 m。洪水期間，流速較大，受水流沖擊，探頭縱搖(以Y為軸旋轉)為-1.0°～0.2°，橫搖(以X為軸旋轉)為-0.5°～1.0°，探頭方位角為126.2°。

圖3 HADCP流量監測網頁截取單元流速分布示意

3 HADCP比測率定分析

3.1 流速率定關系

本次率定分析資料的時間段為2019年1月19日—12月31日，共收集了53份率定分析資料，滿足《河流流量測驗規范》[1]中不少于30個數據點的要求。實測流量變幅為3.49～691m3/s，流速變幅為0.19～2.54 m/s，水位變幅3.39～7.29 m，比測情況見表1。

表1 流速儀與HADCP比測情況

根據表1比測數據，HADCP的指標流速和斷面平均流速的關系如圖4所示，呈明顯的線性關系，建立相關公式為：

V平均=0.066 4V指標2+0.7542V指標-0.002 6

圖4 羅定古欖水文站指標流速與斷面平均流速關系線示意

根據《河流流量測驗規范》[1]要求，對上述回歸方程進行定線精度分析與關系曲線檢驗。由于第一次建立的關系曲線不符合《水文資料整編規范》(SL 247—2012)[4]的要求，且發現流速小于0.1 m/s的測點存在相對較大的誤差，經分析這些測點為人為誤差或受上游電站影響，因此，在進行三線檢驗時，V平均<0.10 m/s的較低水測點數據不參加統計(見表2)。

表2 指標流速與斷面平均流速關系曲線檢驗計算

參考《聲學多普勒流量測驗規范》[2](征求意見稿)6.7.6，檢驗分析結果如下：關系線測點標準差Se=8.2%，隨機誤差為16.4%<18%，達到規范規定的精度要求；系統誤差為-0.72%≤±2%，達到規范規定的精度要求。檢驗計算：

① 符號檢驗：n=44 ，K=18 (K為正號個數)，u=1.06<1.15，認為合理，符號檢驗通過。

② 適線檢驗：n=44 ，不變換符號“0”次數為 11，變換符號“1”次數為 32，變換符號次數大于不變換符號次數，免作適線檢驗。

③ 偏離數值檢驗：n=44 ，平均相對偏離值ΔP=-0.74%，P的標準差S=8.08，ΔP的標準差Sp=1.22，統計量t=-0.61，|t|=0.61<1.30，認為合理，偏離數值檢驗通過。

結果：上述3種方法對水位流量關系曲線的檢驗，均達到規范要求，認為定線正確。

3.2 流量精度對比分析

通過選取完整的洪水過程流量進行驗證分析，分別采用羅定古欖站常規的臨時曲線法與HADCP相應流速級關系推求的日平均流量進行比較分析，以常規法推求的日平均流量為準。由于2019年為偏枯年份，故選取該年較大且完整洪水過程和有代表性的平水期過程進行日平均流量的對照分析，時間段為2019年7月9日—2019年8月14日(洪水期)和2019年12月1日—2019年12月20日(枯水期)，具體分析見表3～4及圖5～6。

表3 洪水期日平均流量對照

表4 枯水期日平均流量對照

圖5 洪水期日平均水位流量過程線示意

圖6 枯水期日平均水位流量過程線示意

從表3～4和圖5～6中可以看出，HADCP與常規推流計算出的逐日平均流量與水位過程線相互呼應，較好地反映出流量的變化過程且線形間相互交替，相對誤差有正、負，達到了流量精度控制指標要求。說明V指標～V平均相關關系良好，具有連續性和代表性。

在圖表中可以看出兩種方法推算的成果雖有偏差。但考慮到兩種成果測驗方式和流量推求方法不一致，HADCP流量是實測出的V指標通過率定的相關關系推求的，具有實時性，能真實地反映瞬時流量的變化過程；而定線推求的流量是根據水位的變化，選取代表點通過流速儀實測后采用臨時曲線法推求的，所以在一定程度上只具有相對的可比性。

3.3 實測流量對照合理性分析

從圖7看出，在洪、枯水期，HADCP所測指標流速利用率定關系公式所計算的實時流量與纜道實測流量相呼應，相對誤差較小，沒有出現不合理現象，滿足水文精度要求，說明HADCP在線測量成果精度高、穩定性好。

圖7 實測流量與HADCP流量對照線示意

4 率定質量評定及儀器安全保障

1) 本次率定分析資料的時間段為2019年1月19日—2019年12月31日，共收集了53份率定分析資料，在此期間，HADCP運行基本正常，采集信息連續，較為可靠，流量過程較為完整。但由于羅定古欖站是高雷區，受雷擊較為嚴重，中途曾被雷擊過兩次，通過單位管理人員和儀器公司的積極溝通、交流和全面排查并及時更新設備之后，儀器恢復正常。

2) HADCP在線測流法突破了傳統人工流速儀測流法的工作模式，測流自動化解放了勞動力，且HADCP在測流頻次能達到5 min/次的采集密度，實時監測流量數據，這是人工作業無法實現的；大大減輕該站流量測驗、水量平衡計算的工作量，直接利用系統數據進行資料整編，減少了資料二次輸入帶來的錯誤，提高整編質量和工作效率。

3) 在本次HADCP的比測率定工作中，率定資料的水位變幅為3.39～7.29 m，實測流量變幅3.49～691 m3/s，相應流速變幅為0.19～2.54 m/s，在此范圍之內，HADCP的V指標～V平均關系線通過三線檢驗，定線精度符合《水文資料整編規范》(SL 274—2012)[4]要求。建立相關關系線公式為：

V平均=0.066 4V指標2+0.754 2V指標-0.002 6

(2)

適用范圍為在中、低流速期間(0.1 m/s

4) 防撞擊安全措施。HADCP河段屬于非通航河段，船只較少，測驗過程中有個別過往船只和漂浮物等對HADCP有一定的影響，但是相對影響較小。固定樁噴涂警示顏色，提醒船只勿靠近；探頭兩邊都焊接有保護板，以保護探頭不被船只直接觸碰，也起到阻擋垃圾的作用。

5) 防盜安全措施。定制不銹鋼支架和軌道，探頭及大半導軌沒入水下，固定支架的不銹鋼鋼管打樁到河底，采集控制器安裝在站舍里面，太陽能電池板安裝在站舍樓頂，盡量避免儀器拋頭露面。

5 結語

通過對羅定古欖水文站HADCP流速關系率定分析、流量精度對比、實測流量成果對照，可以認為HADCP安裝位置和采樣區域代表性良好，系統誤差在規定范圍內，定線精度符合有關規范要求，滿足整編要求，可正式投入使用。

HADCP測驗操作簡便、不擾動流場、易于管理，適用與較為邊遠，人力不足，斷面地形較為規則穩定，流場流況相對穩定的的水文站點。但由于近兩年都是平水偏枯年份，因此中高水位應繼續進行比測分析，擴大關系式的適用范圍。