HADCP 在線測流系統在界首水文站的應用分析

劉潤澤

（安徽省阜陽水文水資源局,安徽 阜陽 236000）

1 界首水文站概況

界首水文站始建于1940 年7 月,當時隸屬偽黃河水利委員會,站址在現在基本水尺斷面上游2000 m 處的河南省沈丘縣劉灣村,1951 年3 月由治淮委員會接管,1958 年1 月站址由之前的劉灣村遷至現在的界首市城關鎮,1962 年改由安徽省水利廳領導,隸屬安徽省水文局管轄,中間經歷了1987 年～1995 年間短暫的被改為水位專用站,界首站地處河南、安徽兩省交界,至下游河口距離186 km,匯入淮河,集水面積29290 km2。本站是國家重要水文站和大河控制站,一類測驗精度水文站。

界首水文站測驗河段順直長度約500 m,基本水尺斷面下游約200 m 處略有彎曲,基本水尺斷面兼作流速儀測流斷面,監測斷面寬約200 m。上游約300 m 有界臨鄲公路橋一座,約30 km 有槐店閘；下游約500 m 有裕民大橋一座,約20 km有耿樓閘。受上下游水利工程的調度控制,本站水位常年處于30.50 m～34.00 m 之間,水面寬140 m 左右,河床穩定沖淤變化不明顯。

2 儀器設備情況

2.1 儀器引進目的

上下游水利工程的運行調度對界首站的水位流量關系造成了很大的影響,水位流量關系紊亂沒有規律,日常采用連實測流量過程線法進行推流整編,平時上下游水利工程調度頻繁,因此為了控制好界首站斷面流量的變化過程只能通過加密流量測次來實現[1-2]。日常流量測驗的工作強度也隨之加大,年平均測次350 次左右[3-4]。常規采用走航式ADCP 來進行斷面流量的測驗,流量較小時,走航式ADCP 測得的流量成果經常會超出規范中所規定的允許偏差[5]。此時則需要采用傳統的纜道流速儀法來進行斷面流量的測驗,因為潁河是河南通往蚌埠、南京、上海等地的重要航道,而且界首站測流斷面和上游碼頭的距離又比較近,所以測流斷面上來往的貨船較多,利用纜道流速儀法進行斷面流量測驗耗時較長,一般都在一個小時以上,流量施測過程中會存在一定的安全隱患。有時上下游閘門在短時間內變動多次,此時常規流量測驗方式就不能及時準確的把握受上下游水利工程影響下斷面流量的變化情況。因此界首水文站急需實現流量的自動監測。

基于上述原因,安徽省阜陽水文水資源局于2022 年5 月引進了水平式ADCP HST-600 測流系統（以下簡稱HADCP）,安裝位置在界首水文站的基本水尺斷面,裝配調試運行之后,和常規流量測驗方式所得到的成果進行同步比測分析。

2.2 儀器的測流原理

HADCP 儀器主要測量的是水平方向測量段內的平均流速（代表流速）,首先建立斷面平均流速與代表流速兩者之間的關系,然后利用HADCP 換能器采集水平方向測量段內的平均流速,根據兩者之間的關系來得到斷面平均流速,再將所得到的斷面平均流速乘以當時水位所對應的斷面面積,就得到了斷面的瞬時流量。

最常見的代表流速法方程多為一個簡單的,單變量線性方程,其形式為一條直線：

式中：V平均為斷面平均流速（在指定河流斷面）,m/s（或ft/s）；V測量為傳感器給出的觀測流速,m/s（或ft/s）（也被稱為“代表流速”）；a 為斜率系數（無量綱）；b 為截距系數,m/s（或ft/s）。

河道斷面的總流量是斷面總面積AT與斷面平均流速V平均的乘積,即：

斷面總面積AT可以通過建立水位與實測已知斷面面積之間的相關關系來確定。由此就可以得到河道斷面的總流量。

2.3 儀器的安裝調試

界首水文站HADCP 換能器安裝在基本水尺斷面兼流速儀測流斷面起點距約45 m 處的垂直導軌式支架上,安裝高程為28.50 m,把電纜從水位自記井的內部穿過到達水位自記井的井房內,然后連接到放在水位自記井房內的采集器終端。在此安裝位置下,常年最低水位30.78 m 水位時仍可保證約90 m 的測量范圍,能夠有效覆蓋本斷面的主流位置,測量區域具有代表性。

3 流速比測情況

流速比測分析是利用走航式ADCP 測驗方法和常規流速儀測驗方法所測得的斷面平均流速與HADCP 的實測指標流速進行比較,走航式ADCP 測驗方法嚴格按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）、《聲學多普勒流量測驗規范》（SL 337-2006）的有關規定進行流量測驗,使用水文纜道帶動裝載ADCP 換能器的三體船進行斷面流量的測驗。常規流速儀測驗方法按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）的有關規定進行斷面流量的測驗,HADCP 根據《聲學多普勒流量測驗規范》（SL 337-2006）進行斷面流量的測驗,流速的采樣頻率為5 min/次,取人工實測流量時間段內HADCP所采集到的代表流速的平均值作為指標流速。比測時間段為2022 年6 月1 日～2023 年6 月1 日,累計進行流量測驗252 次,共收集比測資料252 組。比測是以實測斷面的平均流速與HADCP 的指標流速進行對比和相關關系分析。斷面平均流速Vm為走航式ADCP 測驗方法和常規流速儀測驗方法所測得的斷面平均流速,指標流速Vi為人工實測流量時間段內HADCP 所測代表流速的算術平均值。

3.1 不同水位級流速比測分析

本次所收集的比測資料中,實測最低水位32.06 m,最高水位33.90 m,水位變幅為1.84 m,經分析之后以水位33.00 m為界,在不同的水位級下,以實測斷面平均流速Vm為縱坐標,HADCP 指標流速 Vi為橫坐標來建立關系,探究不同的水位級對實測斷面平均流速和HADCP 指標流速兩者之間關系的影響。

通過圖1、圖2 可以看出,當水位在33.00 m 以下時,Vi～Vm線性關系良好,線性公式為y=0.9688x-0.0054,線型相關度R2=0.9337。當水位在33.00 m以上時,Vi～Vm線性關系同樣良好,線性公式為y=0.9516x-0.0018,線型相關度R2=0.9624。因此,不同的水位級對實測斷面平均流速和HADCP 指標流速兩者之間的關系幾乎沒有影響。

圖1 (水位＜33.00 m）HADCP 指標流速與實測斷面平均流速關系線

3.2 不同流量級流速比測分析

本次比測資料中,實測最小流量10.3 m3/s,最大流量461 m3/s,經分析之后以流量100 m3/s 為界,在不同流量級下,以實測斷面平均流速Vm為縱坐標,HADCP 指標流速 Vi為橫坐標建立關系,探究流量大小對二者關系的影響。

當流量在100 m3/s 以下時,Vi～Vm線性關系較差,樣本點分布散亂,見圖3。當流量在100 m3/s 以上時,Vi～Vm線性關系良好,線性公式為y=0.8664x-0.0245,線型相關度R2=0.9717,見圖4。

圖3 (流量＜100 m3/s）HADCP 指標流速與實測斷面平均流速關系線

圖4 (流量＞100 m3/s）HADCP 指標流速與實測斷面平均流速關系線

流量在100 m3/s 以下時,HADCP 所測得的指標流速與實測斷面平均流速偏差較大,分析之后認為應該是界首站斷面流量受上下游水利工程的影響所導致的,而這種影響在流速越小時表現的愈加明顯。

3.3 不同測驗方式流速比測分析

本次比測資料共收集到252 份比測成果,其中流速儀成果120 份,走航式ADCP 成果132 份,在不同測驗方式下,以實測斷面平均流速Vm為縱坐標,HADCP 指標流速Vi為橫坐標建立關系,探究測驗方式的不同,二者關系的變化。

當使用傳統流速儀時,Vi～Vm線性關系較差,樣本點分布散亂,見圖5。當使用走航式ADCP 時,Vi～Vm線性關系良好,線性公式為y=0.9283x+0.0062,線型相關度R2=0.9709,見圖6。

圖5 (流速儀）HADCP 指標流速與斷面平均流速關系線

圖6 (走航式ADCP）HADCP 指標流速與斷面平均流速關系線

上文中提到當斷面流量較小走航式ADCP 測量成果不滿足規范要求時,采用傳統流速儀進行流量測驗,而當流量較小時斷面流速紊亂變化無規律加之傳統流速儀測驗歷時相對較長,基本都在60 min 以上,故在此種情況下HADCP 所測得的指標流速也隨之變得紊亂無規律。這是導致流速儀測流情況下樣本點分布散亂的主要原因。

3.4 整體分析與驗證

將本次收集到的252 份比測成果,以實測斷面平均流速Vm為縱坐標,HADCP 指標流速 Vi為橫坐標建立關系,見圖7,從圖7 中可以看出整體關系良好。

圖7 界首站HADCP 指標流速與斷面平均流速關系圖

根據界首站實測流量成果,同時利用HADCP 所監測指標流速,按照公式Vm=9588Vi-0.0035 計算出斷面的平均流速與當次實測流量平均水位所對應的面積相乘得到的流量為HADCP 的實測流量,選取2022 年6 月1 日～2022 年8 月1 日的水位、實測流量和HADCP 實測流量分別點繪在圖中,見圖8。

圖8 界首站水位、流量過程線對比圖

通過觀察圖8 中的水位、實測流量、HADCP 實測流量過程線可以看出在水位變化的過程中,實測流量和HADCP實測流量的大小、變化趨勢和過程基本一致。

4 HADCP 在線測流系統的優越性

綜合上述內容,從監測效率和監測成果上看,HADCP 在線測流系統與走航式ADCP 和流速儀等常規測驗方式相比具有顯而易見的優點。①利用儀器設備來代替人力勞動。一方面進一步解放人力,另一方面使流量監測向著更加自動化、智能化發展；②HADCP 在控制流量的變化過程和監測頻率上優點突出,由于上下游水利工程的調度頻繁,會導致界首站流量在短時間內變化較快,此時人工傳統測流方式則不能很好的控制斷面流量的變化過程,而HADCP 在線測流系統采用 5 min/次的頻率采集實時數據[6],這是人工傳統測流方式無法做到的；③提高了流量測驗過程中的安全性,平時界首站基本測流斷面來往船只較多,采用常規測驗方式時,需密切注意上下游來往船只,及時避讓來保證安全,每到汛期漲水時河面上還會有大量的漂浮物,相比較之下,在測驗安全這方面HADCP 具有更加明顯的優勢。④可以在電腦端查看斷面流量的實時變化過程,而傳統人工測驗方式可能會出現計算錯誤、點繪錯誤等問題,計算校核完成之后再點繪出流量的變化過程。與HADCP 在線測流系統相比不僅耗時耗力,而且得到流量變化過程有一定的滯后性[7]。

5 結論

通過在不同條件下對實測斷面平均流速和HADCP 指標流速的比測分析,以及水位、流量過程線的點繪分析,整體來看HADCP 在界首水文站的應用效果良好,對提高水文站自動測報水平、推動水文測報改革和水文現代化,具有積極意義。另外此次比測分析所收集的252 組比測數據,最高水位33.90 m,最大流量461 m3/s,最大流速0.40 m/s,缺少大流量數據。因此要繼續做好HADCP 的比測分析工作。