TRDI（CM 600kHz）流量計在新河水文站中的應用

朱彥方

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，傳統的河流流量測驗方式存在流量推求滯后、自動化程度不高等方面的問題，難以滿足社會對水資源監控的要求。為進一步解放和發展生產力，提高流量監測的自動化程度和實時性，亟需探尋新的技術手段。

TRDI（CM 600kHz）水平式聲學多普勒流速剖面儀（以下簡稱“H-ADCP”）是由美國TRDI公司生產的一種新型流量測量儀器，其工作原理是利用多普勒頻移原理測量水體分層水平段內的平均流速（代表流速），通過建立相關函數關系來構建代表流速與斷面平均流速的聯系[1]，再利用斷面平均流速推求流量。該儀器不僅具有占用內存小、流速采集快、數據較精準的特點，也具有維護少、快捷方便、實時抓取數據的優點，尤其是針對非恒定流以及難以測量的低流速，亦能獲得較好的測驗結果[2]。

2019年6月將H-ADCP安裝于新河水文站用于袂花江河道的流量在線監測，并進行了后續比測和率定工作。儀器總體運行情況良好，比測進度符合預期，各項精度指標達到了規范和相關規定要求，切實解決了新河水文站的流量測驗問題。該率定工作可為類似河流水情測驗提供一定的借鑒和參考。

1 測站及河流概況

新河水文站建于1958年5月，地處廣東省茂名市電白區霞洞鎮新河村，集水面積為649 km2，屬于二類精度水文站，常規觀測項目有水位、流量、蒸發量、降水、水質。上游情況如下：約8.6km為潭儒水電站，6.5km處有黃嶺河從右岸匯入，80m處為公路大橋新河橋（11個橋墩）；下游情況如下：約2.3km為跨河鐵路橋，3.0km處和3.8km處分別有兩座滾水壩，4.0km處有共青河攔河壩，約6.5km處有龍記河從左岸匯入。新河水文站作為袂花江中游控制站和袂花江生態流量保證主要控制斷面，為國家長期收集袂花江的水文基礎信息、分析水文特性規律、河道演變等規律而設，在水旱災害防御、供水安全、水環境治理、水生態修復與保護、河道治理、水資源調配等方面發揮了重要作用。

袂花江又名沙瑯江，原屬鑒江一級支流，后因下游吳川市興建了博茂減洪工程，將袂花江出口改道。經2014年全國第一次水利普查，認定袂花江為獨立入海河流，不再屬于鑒江流域。袂花江發源于陽春市八甲鎮國營河尾山林場，向西南流經茂名市電白區羅坑鎮、沙瑯鎮、霞洞鎮、茂南區袂花鎮、鰲頭鎮等地，在吳川市梅菉街道與小東江匯合，并于吳川市海濱街道博茂社區流入南海。全流域集雨面積2466km2，總落差999m，干流全長110km，平均坡降1.19‰，多年平均年降水量1785.0mm。其中茂名市境內集雨面積2256 km2，河長86km。其主要支流有那霍水、大社河、華垌河、黃嶺河、觀珠河、郁頭鵝河、河林河、小東江等。袂花江上游為山區，最高峰鵝凰嶂海撥1337m，是我廣東省暴雨高區之一，中游為狹長的沃土階地，下游為沖積平原。

根據新河水文站1958～2020年資料統計，實測最大流量為2060m3/s，出現于1959年5月21日，相應水位為24.78m；實測最高洪水位為24.78m，出現于1959年5月21日；實測最小流量為0.275m3/s，出現于1960年3月31日；實測最低水位為18.26m，出現于2005年12月2日；歷史調查最高洪水位為24.90m。新河水位站各級水位劃分如表1。

表1 新河水文站各級水位劃分（凍結基面以上）

2 測量原理及技術參數

2.1 測量原理

H-ADCP是利用聲學多普勒原理測量水體流速，并根據所測流速來推求斷面流量。測量單元的長度和位置可由用戶根據需要自行設定。測量時，每個換能器發射某一固定頻率的聲波（每個換能器既是發射器又是接收器），發射出的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，最后再把經反射回的聲波進行接收和數據整理。回波頻率與發射頻率之間有一定差值，該差值可由式（1）來確定。

式中：fd為聲學多普勒頻率，kHz；fδ為回波頻率，kHz；v為沿聲束方向顆粒物的移動速度，m/s；c為在水中聲波的傳播速度，m/s。

H-ADCP主要利用代表流速法來對河道斷面流量開展自動監測工作。其原理是，通常把水平平均流速、垂線平均流速或點流速作為代表流速，再由局部代表流速來推求測量斷面的平均流速[3]。根據對實測采樣流速數據點繪相關圖或進行數學回歸分析（如利用最小二乘法），就能得出代表流速與測量斷面平均流速之間的關系曲線或回歸方程[4]。相關理論公式分述如下。

式中：vTRDI為代表流速，m/s；Q為所測河道的斷面過流量，m3/s；A為測量斷面的相應過水面積，m2；v為測量斷面的平均流速，m/s。

2.2 技術參數

H-ADCP主要由主機、計算機、軟件和電纜及接口組成：（1）主機外殼（如圖1）為26.4cm（寬）×18.3cm（高）×19.3cm（厚）的實體，兩個水平聲學傳感器分布于正面，以對分層水體流速進行測量和采集；一個垂直聲學傳感器布置于頂端，以對頂部水深進行測量。主機內置4MB內存，可實現實時流量監測，一般每600s輸出一個數據，總計可存儲數據20萬個。（2）計算機須配置Windows NT、Windows XP或Windows 2000系統。（3）Win_HADCP，PlanCV和Q-Monitor-H作為H-ADCP正常運行和操作的軟件平臺，通常在Windows環境下運行。該軟件可方便用戶進行數據采集和存儲、參數設定等工作，并實時將測驗采集到的數據輸出到計算機的顯示屏幕上，從而將流量、流速和水位等關鍵數據信息及其變化歷程進行實時反映。（4）H-ADCP通常執行SDI-12通信協議，結合配備RS232串行口，利用攜帶特殊信號的傳輸電纜和計算機開展聯機工作。

圖1 H-ADCP主機外殼

H-ADCP流速測量范圍為±5m/s，分辨率可達0.1cm/s。其水平波束測量距離為90m，垂直波束測量距離為20m，精確度可達到±0.5cm （±0.2%）。儀器使用時，工作功耗為0.14W，待機功耗為0.00025W，輸入電源為10VDC～18VDC。

3 實際應用

3.1 測驗斷面分析

新河水文站的測驗斷面位于袂花江上，斷面處河段較順直，河床坡降平緩，其左岸為沙土堤，右岸為漿砌石護坡，高水位有漫灘現象，灘地種植農作物。河床為沙質，易沖刷，主槽位于正中偏右岸。通過對2014～2020年的測驗斷面變化情況進行分析（以多年平均水位19.68m計算斷面面積），發現斷面面積變幅微小（數據如表2），表明斷面整體較穩定且在不同流量級別下的流速橫向分布與斷面的形狀基本吻合，說明在該斷面安裝H-ADCP所監測的區間流速具有較佳的代表性和穩定性。經綜合分析，最終確定將儀器安裝在測驗斷面距右岸起點40 m、高程為17.20 m的位置，即在纜道站房同側。由于主流在右岸，儀器在低水位情況下亦可有效覆蓋主流位置，為測驗工作的開展奠定了良好的基礎。

表2 2014～2020年新河水文站測驗斷面面積比較

3.2 儀器安裝調試

在河底鉆樁，通過嵌入式抱箍支架將傳感器安裝固定于高程17.20m處（安裝示意如圖2）。固定穩定后，把水下傳感器通過傳輸電纜引到自記臺，然后再連接至RTU。異地監控采用網上數據庫實時讀取指令控制。經調試后確定儀器縱搖為-0.04°，橫搖為-0.28°，符合相關技術規范要求。

圖2 H-ADCP安裝示意圖

4 率定成果分析

4.1 率定準備工作

率定測驗期間，新河水文站上游站點2019年7月至2020年9月降水量為1571.0mm，其中2019年11月至2020年3月、7月降水量較少，其他各月均有較大的降水過程。新河站在2019年8月1日出現了率定期間最大洪水，洪峰水位為20.93m，洪峰流量為358m3/s，水位變幅為1.10m。該站比測期間水位變幅為1.73m，實測流量水位變幅1.31m。

為取得較好的率定成果，該文收集了2014—2020年共7年的汛前大斷面資料進行分析，并收集了儀器安裝以來的水位資料成果。洪水過程選擇2020年8月20—22日的水位數據進行水位比測。率定流量測驗從2019年6月至2020年9月，共計82個測次。實測斷面平均流速為0.017m/s～0.64m/s，H-ADCP代表流速為-0.009m/s～0.67m/s，水位為19.20m～20.93m。

經分析測流數據，發現新河水文站測驗斷面在個別時段的流速存在分層現象，流向為120°～300°為正流，流向為0°～120°和300°～360°為負流。以2020年4月17日的測量數據為例，水流分為三層，上層為正流，中間層為死水，底層為負流。由于在線探頭安裝位置在死水層與負流層附近，所以指標流速為負值，而正負流疊加后總流量仍為正值。負流層的位置根據上下游水情形勢狀況變動，無法通過改變H-ADCP探頭的位置規避。

4.2 水位比測

以2020年8月20～22日的洪水水位數據作為率定期間的比測水位，把H-ADCP水位（垂直波速水位、壓力水位）與自記式水位開展聯合比對。平水過程采用2020年6月11～12日的水位，進行水位比測分析。經數據分析可知：相較于平水過程，洪水過程波束水位和壓力水位與自記水位誤差較小，但誤差時常超過規范允許范圍且誤差變化無規律，因此H-ADCP的數據整編仍使用測站水位臺的自記式水位計數據。

4.3 關系曲線的建立和檢驗

在率定測驗工作中，共計采集到了82個測次的實測斷面流量數據和對應的H-ADCP數據。結合實測數據，利用關系曲線將斷面平均流速與H-ADCP代表流速兩者之間建立關系如下：

式中：x為H-ADCP代表流速，m/s；y為斷面平均流速，m/s。

由于新河水文站流速較小，流速在0.1m/s以下的測次，只要趨勢良好可以不進行關系檢驗，因此，該次采用流速在0.1m/s以上的36組數據進行關系檢驗。結合《水文資料整編規范》（SL 247—2012）相關技術要求，對上述關系曲線開展三種方法和精度分析檢驗。結果表明：隨機誤差為12.0%≤17%，標準差Se=6.0%，滿足規范規定的精度標準；系統誤差為-0.47%≤±3%（規范要求為±3%以內），符合規范規定的精度標準。精度檢驗結果具體表現如下。（1）符號檢驗n=36（n為測點總數），K=17（K為正號個數），u=0.17＜1.15（u為符號檢驗的統計量），結果合理，通過符號檢驗；（2）偏離數值檢驗：n=36，平均相對偏離值ΔP=-0.47%，P的標準差S=5.93，ΔP的標準差Sp=0.99，統計量t=-0.48，|t|=0.48＜1.30，可認為結果合理，通過偏離數值檢驗；（3）適線檢驗：n=36，變換符號“1”次數為22，不變換符號“0”次數為13，變換符號次數大于不變換符號次數，可免作適線檢驗。以上三種方法檢驗關系曲線，均滿足相關規范要求，可認為定線合理。

4.4 流量精度對比分析

流量精度對比分析分為日平均流量對比、月平均流量對比、場次洪量對比、年徑流量對比。流量誤差對比為測站原定的水位后移法推算的流量與H-ADCP后處理軟件推算的流量進行對比分析。結果顯示：（1）日平均流量對比選用了2020年1月～12月的流量資料，由于受上下游水利工程、測驗及定線推流誤差影響，低水時日平均流量誤差較大。（2）月平均流量的誤差相對日平均誤差而言相對變小，7月份誤差為 271.76%，日平均流速全部在0.10m/s以下，最大流速為0.043m/s，最小為0.006m/s，0.10m/s以下的流速未參加三線檢驗。（3）選取2020年4月5～8日、8月13～23日、9月6～11日的三場洪水繪制場次流量過程線，數據統計誤差為-8.77～1.54。場次洪量與年徑流量比較如表3。（4）通過比較日平均流量、月平均流量、場次洪量、年徑流量可知：日平均流量越大、考量時間越長則相對誤差越小，原因是上下游水利工程對中低水位期的流量影響極大，該站原有曲線定線推流也存在誤差，影響流量的準確推算。（5）因上下游水情形勢狀況變動，不定時出現負流層，經率定分析，在出現負流層時代表流速與斷面平均流速存在一定關系，但由于流速太小很容易造成誤差超限，整體上認為CM 600kHz型水平式聲學多普勒流速剖面儀在新河水文站是適用的。

表3 場次洪量與2020年年徑流量比較

5 結論

該文引進經鑒定合格的TRDI（CM 600kHz）型水平式聲學多普勒流速剖面儀，將其安裝于新河水文站用于在線測流，并開展了后續比測和率定工作。通過對率定成果進行分析，表明流速～斷面平均流速關系通過了各項檢驗，其精度較高，各項精度指標達到了相關規范要求，可切實解決新河水文站的流量測驗問題。率定工作可為類似河道水情實時監測提供一定的借鑒。