浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在潮汐河道應(yīng)用經(jīng)驗

黃士穩(wěn)，黃 健，邵加健，敖 謙，勞國民, 單 明,杜 鑫

(1. 浙江省水文管理中心，杭州 310000；2. 臨海水文站，浙江 臺州 318000；3.杭州愛賽藍(lán)特環(huán)境科技有限公司，杭州 310000)

1 概述

河流流量監(jiān)測是洪水預(yù)報和水資源計算的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是水文分析服務(wù)深化的重要手段。傳統(tǒng)流量監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，需要大量人力成本，隨著現(xiàn)代化流量監(jiān)測技術(shù)如超聲波時差法[1]、 電磁法、高性能視頻水面流速法、側(cè)掃雷達(dá)在線流量法[2]、點流速雷達(dá)在線流量法[3]、水平式ADCP在線流量法[4-5]在河流流量測量中的推廣及廣泛應(yīng)用，按照小時或分鐘對河流水文要素進(jìn)行實時監(jiān)測在大部分的河流斷面實現(xiàn)。

雖然隨著流量在線監(jiān)測技術(shù)手段不斷完善提高，越來越多河流斷面能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測，然而在部分特殊河道斷面，如受潮汐影響的大江大河的流量測驗中，在線監(jiān)測手段的成功應(yīng)用仍然具備相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，一般采用水平式[6]、垂直式ADCP[7-10]的監(jiān)測方式進(jìn)行監(jiān)測。本文以之江水文站在線流量測驗任務(wù)的嘗試及應(yīng)用為例，探討浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在潮汐河道的流量測驗中的應(yīng)用。

2 之江水文站概況

2.1 測站概況

之江水文站是經(jīng)國家水利部批準(zhǔn)的全國首批國家重要水文站，位于富春江、浦陽江和錢塘江三江交匯下游3.5 km處、杭州市西湖區(qū)雙浦鎮(zhèn)外張村的錢塘江北岸，集水面積為41 769 km2，占錢塘江流域面積55 500 km2的75%。之江水文站上游干支流的主要水文測站有富春江電站( 集水面積為31 645 km2)、分水江水文站(集水面積為3 100 km2)和諸暨水文站(集水面積為1 719 km2)，區(qū)間面積為5 305 km2。

受感潮河段和上游電站的影響，流量級的劃分通過近幾年的實測數(shù)據(jù)分析得出。斷面流量在 7 000 m3/s 以下為低水流量，7 000～15 000 m3/s 為中水流量，15 000 m3/s 以上為高水流量。之江水文站基本斷面大斷面寬約1 km，呈現(xiàn)明顯的“U”型，斷面水深較深，之江水文站基本斷面如圖1所示。

圖1 之江水文站上游大斷面示意

2.2 測站流量監(jiān)測手段

之江水文站測洪設(shè)施有聞堰和袁浦兩座水位臺，主要測洪設(shè)備有浙水文01號等3艘機(jī)動測驗船、走航式聲學(xué)多普勒流速儀5套、定點式聲學(xué)多普勒流速儀5臺。日常測流完全采用聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行流量測驗，包含在聞堰水位臺和袁浦水位臺的定點式聲學(xué)多普勒流速儀施測的同時使用走航式聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行斷面流量實測，以尋求定點式聲學(xué)多普勒流速儀所測的部分流速與斷面平均流速之間的關(guān)系，并通過此關(guān)系進(jìn)行推流。

備用測流方案為在之江大橋上游測得斷面，布置12 根垂線。通過電波流速儀測得表面流速， 乘以系數(shù)(比測系數(shù)為 0.76)得到測線平均流速， 在斷面左岸設(shè)置了水尺獲取水位數(shù)據(jù)。

之江水文站監(jiān)測斷面屬于典型的感潮及受水利工程影響的河段，且屬于通航航道斷面，斷面水深大，目前常規(guī)測流方案中的走航式聲學(xué)多普勒流速儀測量流量工作量大，安裝的定點式聲學(xué)多普勒流速儀僅能采集安裝點往外80 m的垂線數(shù)據(jù)，難以覆蓋到1 km斷面的中間位置，代表性較差，斷面的復(fù)雜性導(dǎo)致流量實時在線自動化監(jiān)測難度大。為了進(jìn)一步研究完善之江水文站的流量自動化程度，在2020年，根據(jù)之江水文站斷面情況，引入1套浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)(見圖2)，作為流量監(jiān)測自動化能力的建設(shè)的有效補(bǔ)充。

圖2 之江水文站浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場示意

3 浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)工作原理

浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)以垂直式聲學(xué)多普勒傳感器(即ADCP)為核心傳感器， ADCP傳感器是根據(jù)聲波的多普勒頻移原理測量水體流速的。每個換能器發(fā)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，根據(jù)發(fā)射與回波的頻率差值進(jìn)行流速流向計算。

(1)

式中：

fd——聲學(xué)多普勒頻移,kHz；

fδ——回波頻率,kHz；

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(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)以浮標(biāo)體作為設(shè)備搭載平臺，配置一整套數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、錨鏈系統(tǒng)、警示系統(tǒng)，以垂直式ADCP為核心監(jiān)測傳感器采集投放點垂線的流速流向數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)桨痘乃木C合管理軟件平臺，接收平臺軟件對各層流速、流向進(jìn)行算術(shù)平均求得垂線平均流速和流向，根據(jù)浮標(biāo)式ADCP流速與走航式 ADCP 施測斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，推求出斷面平均流速，再根據(jù)當(dāng)時水位查算斷面面積，得到整個斷面實時流量，實現(xiàn)了流量流速監(jiān)測管理的實時化、自動化、智能化，工作原理如圖3所示。

圖3 浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意

3.2 系統(tǒng)組成設(shè)計

1) 浮標(biāo)體平臺

浮標(biāo)體平臺是浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的搭載平臺，其性能設(shè)計優(yōu)良性一方面是保障流量傳感器采集流量數(shù)據(jù)的可靠性的基本要求，另一方面是保障流量監(jiān)測系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運(yùn)行的要求。之江水文站的浮標(biāo)體監(jiān)測平臺是針對之江站大斷面的情況及近年來的水文水動力條件設(shè)計，一是考慮斷面寬度較大，潮流變化大，在設(shè)計上增加浮標(biāo)平臺的尺寸，進(jìn)一步增加浮標(biāo)的穩(wěn)定性同時增加供電能力，二是進(jìn)一步集成設(shè)計水下模塊及錨鏈設(shè)計，減少漂浮物掛載的影響，三是降低浮標(biāo)重心，減少浮標(biāo)的晃動。

2) 浮標(biāo)配套系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用低功耗、耐腐蝕、故障率低的配件設(shè)備，對于重要的子系統(tǒng)采用雙保險系統(tǒng)，如本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器采用業(yè)界公認(rèn)故障率最低的數(shù)采器，數(shù)據(jù)采用4G傳輸和本地固態(tài)儲存的雙保險方式。在錨系選擇上，根據(jù)本站的水質(zhì)情況及浮標(biāo)重量、水流速度設(shè)計最優(yōu)的尺寸及強(qiáng)度，降低流速測量誤差。供電系統(tǒng)上根據(jù)浮標(biāo)搭載傳感器及設(shè)備的電量功耗考慮極限陰雨天氣情況下的電量需求等。

4 浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析

4.1 系統(tǒng)安裝選點

1) 投放垂線確定

由于浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)僅能監(jiān)測投放點所在斷面垂線流速流向數(shù)據(jù)，即是利用垂線代表法[11]，系統(tǒng)的安裝位置的代表性對系統(tǒng)的成功應(yīng)用具有重要的意義，為了能夠選取具備代表性的垂線位置，在投放前進(jìn)行現(xiàn)場的走航勘測，將大斷面按從左岸(測船停靠位置為0點)到右岸的直線距離分別取80 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、550 m、600 m、650 m、700 m，共計劃分成13條垂線，分別提取走航ADCP所測29個測次的以上13條不同垂線處的平均速率，并同斷面平均流速做相關(guān)性分析，得到13組垂線分析關(guān)系線(如圖4所示)。

圖4 13條垂線的分析示意

從圖4分析不同垂線與斷面平均流速的相關(guān)系數(shù)，通過對相關(guān)系數(shù)和河道通航情況的分析可知直線距離350 m和600 m兩條垂線流速同斷面平均流速相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)性最好，但考慮到350 m位置為通航航道，為了保證航道的通暢性及儀器設(shè)備的安全性，最終確定直線距離為600 m的垂線為最優(yōu)投放垂線。

2) 投放垂線驗證

在設(shè)備正式投放前，在初步的垂線數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，兩次對600 m垂線位置進(jìn)行再次驗證分析，一是對600 m垂線流速同平均流速進(jìn)行相關(guān)性分析，二是對水位流速關(guān)系分析，即進(jìn)行水位流速趨勢線分析，看水位流速趨勢線是否與實際情況一致。

流速關(guān)系分析： 從圖5可知，600 m垂線流速同斷面平均流速關(guān)系驗證，驗證發(fā)現(xiàn)600 m垂線流速同斷面平均流速相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.936 4，與初步分析得到的相關(guān)關(guān)系一致，600 m垂線位置代表性較好。

圖5 600 m垂線流速關(guān)系線驗證分析示意

水位流速關(guān)系分析：在驗證過程中對兩次驗證過程的水位流速變化過程進(jìn)行趨勢分析，并制作水位流速趨勢分布圖(見圖6)。

圖6 2020年11月26日之江站流速水位分析示意

從以上水位流速分布圖中可以看出，站點監(jiān)測斷面平均流速同水位漲落呈現(xiàn)相反的趨勢，600 m垂線流速同水位漲落呈現(xiàn)相反的趨勢，同時垂線流速同斷面平均流速具有一致的變化趨勢，以上表現(xiàn)完全符合潮汐河道的水文特性，浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的投放600 m垂線監(jiān)測的具有合理性及代表性，系統(tǒng)投放順利。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用情況

從2020年11月投放應(yīng)用至今，浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在之江水文站斷面的應(yīng)用情況良好，既沒有影響到斷面的船只通航情況，系統(tǒng)一直在正常發(fā)揮流量數(shù)據(jù)采集任務(wù)，硬件設(shè)備表現(xiàn)優(yōu)秀，未有設(shè)備故障及維護(hù)情況，能夠穩(wěn)定滿足之江水文站的流量測驗任務(wù)需求。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用成果

1) 率定關(guān)系線

系統(tǒng)穩(wěn)定投入運(yùn)行后開始進(jìn)行比測數(shù)據(jù)的采集，在2021年3月1日—2021年4月29日期間，采集到比測率定數(shù)據(jù)共61份，率定期間水位變化范圍4.55～5.97 m，流量變化范圍為-7 760～5 400 m3/s。基于截止到2021年5月的比測數(shù)據(jù)初步分析，斷面的平均流速和代表流速的相關(guān)關(guān)系好(見圖7)，浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在本站投放應(yīng)用很成功。后續(xù)需要嚴(yán)格按照《水文資料整編規(guī)范》進(jìn)行更長時間的比測驗證，確保浮標(biāo)式ADCP監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖7 2021年之江站浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)初步率定分析關(guān)系線示意

浮標(biāo)流量監(jiān)測系統(tǒng)投放安裝應(yīng)用后，無間斷提供監(jiān)測站位的流速流向數(shù)據(jù)，截止到2021年5月6日，共采集到的流量數(shù)據(jù)35 582條，且流量數(shù)據(jù)跟水位關(guān)系良好，浮標(biāo)的能夠滿足水位的變動需求，且變動的趨勢變化符合潮汐河道的變化特性。

從平臺的水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布示意來看(見圖8)，之江水文站水量分布符合河流水文變化規(guī)律，進(jìn)入汛期后水量明顯增加(11月數(shù)據(jù)未能夠采集完全，圖中省略)。

圖8 之江水文站每月水量統(tǒng)計分布示意

5 結(jié)語

通過浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在之江水文站應(yīng)用可知，本系統(tǒng)穩(wěn)定性先進(jìn)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)此類寬闊潮汐河流斷面流量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，大大減輕水文站工作人員的勞動強(qiáng)度。相對于座底式的垂直式測流系統(tǒng)，浮標(biāo)式系統(tǒng)具有能夠適應(yīng)水位變動、安裝維護(hù)較為方便、無淤積影響等特點[12]，可應(yīng)用范圍更廣。

總結(jié)之江站的浮標(biāo)式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用經(jīng)驗，得知為了獲取較好的應(yīng)用成果，浮標(biāo)式流量監(jiān)測系統(tǒng)的投放建設(shè)需要重點考慮兩個關(guān)鍵的因素，一是系統(tǒng)的投放垂線的選擇，必須選定具有代表性的投放垂線，以實現(xiàn)利用單條垂線數(shù)據(jù)獲得代表性良好的率定相關(guān)關(guān)系線，可以在投放前提及初期多次進(jìn)行垂線的選取及驗證操作，保證投放位點符合要求；二是系統(tǒng)的性能保障維持，浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行于靠近航道位置，需要謹(jǐn)慎考慮包括系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等，一般建議進(jìn)行定期的檢查及維護(hù)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。