錢塘江河口區(qū)聲學多普勒測流及資料整編

呂耀光,黃士穩(wěn)

(浙江省水文局,浙江杭州 310009)

潮流量是河口開發(fā)、整治與河口科學研究的一項基本資料.聲學多普勒測流技術在國內普通河道已得到應用[1],但是在感潮河段的河口區(qū)應用卻很少,在我國的相關規(guī)范中,也沒有關于測驗潮流量和整編潮流量的完善規(guī)定,這與河口開發(fā)、治理等國民經(jīng)濟建設的要求是不相適應的[2].

國內感潮河段河口區(qū)如長江口、珠江河網(wǎng)地區(qū)已對聲學多普勒流速儀的應用進行了研究,長江徐六涇水文站使用的是代表線法[2],珠江的馬口水文站使用的是指標流速法[3].但錢塘江潮型不同于上述2個河段,早期的研究結果[4-7]表明,其潮型為非正規(guī)半日潮,涌潮特性明顯,潮流量測驗比普通感潮河段更復雜.為此,在錢塘江聞堰段聞堰—袁浦斷面設立之江水文站,開展潮流量測驗的研究工作.本文對錢塘江河口區(qū)特殊潮型下聲學多普勒流速儀實測數(shù)據(jù)進行了分析,研究了數(shù)據(jù)的優(yōu)選和插補方法,采用將2臺定點式聲學多普勒流速儀所測到的流量作為一個整體考慮的方法,建立該整體的平均流速與斷面平均流速之間的關系,進行徑流量推求,并使用上游站推算徑流量成果對該方法進行了驗證.

1 潮流量測驗方法

之江水文站基本斷面上有袁浦和聞堰2座水位臺,在2座水位臺各安裝1臺由美國Sontek公司生產(chǎn)的Argount-SL定點式聲學多普勒流速儀(簡稱SL).SL工作頻率為500 kHz,流速測量范圍±6m/s,測量精度0.5cm/s,最大測量距離120m.設置SL測量斷面寬度為5～80m,針對錢塘江漲落潮流速變化快的情況,設置每5min返回1個流速值.另配置1臺由美國Sontek公司生產(chǎn)的走航式聲學多普勒流速儀,流速測量范圍±20m/s,測量精度0.1cm/s,最大測量水深30m.在袁浦和聞堰的2臺SL施測的同時使用走航式聲學多普勒流速儀進行斷面流量實測,以尋求SL所測部分流量(流速)與斷面平均流量(流速)之間的關系[8],并通過此關系進行推流,最終達到進行潮流量資料整編、掌握錢塘江入海徑流量及其年內分配的目的.采用代表潮法進行潮流量測驗,即每月選取大潮、小潮、尋常潮各1次,每次連續(xù)測驗26h的潮流期過程[9].

2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)之江水文站實測數(shù)據(jù),在大潮汛漲潮時,流量由3200m3/s在數(shù)分鐘內迅速變?yōu)?6610m3/s,流量變化接近10000m3/s,可見涌潮速度之快.流速在涌潮過后約20min達到最大[10],然后由負的最大較為快速地變?yōu)榱?這個流量由負變正的過程較普通感潮站要快得多.負流量持續(xù)時間短,變化速度快.為了更好地掌握錢塘江河口地區(qū)這種強涌潮條件下漲落潮時斷面上流速的變化情況,從2008年6月10日起,進行了大量流量實測工作,實測到流量數(shù)據(jù)283個,基本上掌握了漲落潮時流速變化的原始資料,為分析工作打下了堅實的基礎.

2.1 走航式聲學多普勒流速儀流速數(shù)據(jù)的優(yōu)選

通過對實測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),把所有實測流量數(shù)據(jù)都參與率定SL所測到的流速(簡稱SL流速)與斷面平均流速關系是不合適的,因為SL所能測到的斷面寬度有限(約75m,而所處測驗斷面總寬度約955m),有時SL流速不能較好地代表斷面平均流速.圖1為走航式聲學多普勒流速儀在聞堰—袁浦斷面不同時刻測量到的斷面流速分布情況.走航式聲學多普勒流速儀沿測流斷面走航1次(左岸到右岸或右岸到左岸)就基本可以得到斷面上各處的流速分布情況.圖1中左岸到右岸的一根長直線表示走航式聲學多普勒流速儀沿斷面走航的軌跡;與該直線基本垂直的多條短直線為斷面上各個測點上的流速矢量,短直線的指向表示流速的方向,長短表示流速的大小.圖1(a)和圖1(b)表示一個潮流期中落潮漲潮流階段斷面流速分布均勻和不均勻的情況;圖1(c)和圖1(d)表示落潮落潮流階段斷面流速分布均勻和不均勻的情況.從圖1可以明顯地看出,當斷面平均流速發(fā)生較為快速且較大的變化時,左右岸2臺SL流速在潮流期的某些階段呈現(xiàn)出較小或滯后的變化.

圖1 幾種斷面流速分布情況Fig.1 Velocity distribution of several cross-sections at Zhijiang hydrological station

如果讓圖1所示流速分布不均勻情況下的數(shù)據(jù)參與定線,勢必會影響曲線走向.為了保證數(shù)據(jù)質量,結合相關規(guī)范要求及測驗河段水流特性,確定以下4個數(shù)據(jù)處理原則[11-12]:

a.結合測驗記載表,回放測驗時的情況,對于底跟蹤失效、風浪太大等原因引起的不可靠數(shù)據(jù)一律不采用.

b.對于在水情平穩(wěn)時測到的數(shù)據(jù),嚴格要求2個測回,每半測回流量值與平均值的偏差如果大于5%,不予采用.

c.對于水情變化快時測到的數(shù)據(jù),例如漲潮時、退潮不平穩(wěn)時等時段,屬于規(guī)范中水情漲落變化快的情況,適當放寬至1個測回.

d.對于斷面流速變化不均勻等導致左右岸2臺SL流速不能較好地反應斷面平均流速時的數(shù)據(jù),不予采用.

根據(jù)以上原則處理之后,得到滿足SL337—2006《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》[11]并可用于分析定線的流量數(shù)據(jù)共141個.

2.2 SL缺測數(shù)據(jù)的插補

SL會因為供電、儀器穩(wěn)定性等原因而造成數(shù)據(jù)缺失,雖然缺失的數(shù)據(jù)不到總數(shù)據(jù)的1%,但為保持數(shù)據(jù)的完整性,研究了幾種插補SL流速的方法.經(jīng)比較,采用左右岸2臺SL流速總變幅差在插補時段內平均分配的原則所插補出來的結果與實測結果擬合度最高,該插補方法如下:

假設袁浦SL流速缺測(某日的15:00—21:00,實際上該時段有實測數(shù)據(jù)).設插補總時段為T,所需插補時段內共有n個插補項;插補時段開始時刻和結束時刻的袁浦SL流速值分別為a1和an,聞堰SL流速值分別為b1和bn,第i個插補項的SL流速分別為ai和bi,如圖2所示.

圖2 插補計算中參數(shù)設置示意圖Fig.2 Arrangement of parameters in interpolation calculation

袁浦SL流速與聞堰SL流速從第i-1個插補項到第i個插補項的變化幅度分別為Δai=(ai-ai-1)和Δbi=(bi-bi-1).設左右岸2臺SL流速在插補時段內的總變幅差為X,即

將時段內總變幅差X在n-1個插補項上平均分配,可得每步變幅差值x為

對式(2)從2到i進行累加,得

將式(2)代入式(3),得到第i個插補項ai的插補公式:

圖3為利用插補公式(4)對袁浦SL流速進行插補的結果,插補流速和實測流速之間存在一個系統(tǒng)誤差,初步分析這種誤差是由于插補開始及終了時刻袁浦及聞堰SL流速本身的差異造成的.

對走航式聲學多普勒流速儀實測數(shù)據(jù)優(yōu)選和SL數(shù)據(jù)系列的插補處理之后,采用面積包圍法分別計算在走航式聲學多普勒流速儀施測1次流量期間左右岸2臺SL對應的流速平均值.

2.3 整體考慮2臺SL測到的流量

圖3 袁浦SL流速系列插補結果Fig.3 Interpolated results of SL velocity series at Yuanpu

之江水文站基本測流斷面處河寬955m,考慮到錢塘江潮水及所處測驗河段的特殊性,單臺SL測量范圍有限,為此把2臺SL所測到的流量作為一個整體考慮,建立整體的平均流速與斷面平均流速的關系,并與單邊SL建立的關系進行比較.

設袁浦水位臺SL所測到的流量為Q1,相應平均流速和水位分別為v1和A1,聞堰水位臺分別為Q2,v2和A2,二者的總流量為Q1+Q2,總面積為A1+A2,可得整體的平均流速v為

將Q1=v1A1,Q2=v2A2代入式(5),得

很明顯,α是水位的函數(shù),由一個水位可得一個 α,根據(jù)得到的 α代入公式(7)可得v.

2.4 率定關系曲線

圖4為袁浦SL流速、聞堰SL流速和整體流速與斷面平均流速計算機擬合關系曲線,3條曲線的相關系數(shù)都在0.99以上,說明2臺SL流速和斷面平均流速之間相關性很好.但是計算機擬合曲線的缺點是不能同時照顧到擬合最優(yōu)和合理.圖4中,負流速的趨勢線上翹,不滿足關系曲線擬定的基本原則[13].對3條曲線進行三性檢驗,結果見表1.

從表1可看出,將2臺SL所測得的流量作為一個整體考慮,檢驗的各項結果均優(yōu)于單邊SL,說明將2臺SL測得的流量作為一個整體考慮具有更高的精度,適合錢塘江這種特殊的涌潮條件,也間接反應了錢塘江漲落潮時主流不一致的情況.

表1 單邊SL流速、整體流速與斷面平均流速計算機擬合關系曲線三性檢驗結果Table 1 Test results of fitting curves of SL velocity,whole velocity and average sectional velocity

圖4 單邊SL流速、整體流速與斷面平均流速計算機擬合關系曲線Fig.4 Fitting curves of SL velocity,whole velocity and average sectional velocity

將圖4(c)所示的整體流速與斷面平均流速的點進行手工定線,結果如圖5所示.對手工定出的曲線進行三性檢驗,結果如表2所示.

圖5 整體流速與斷面平均流速的手工定線曲線Fig.5 Manual curve of whole velocity and average sectional velocity

2.5 推流成果

從手工定線的三性檢驗結果看,正、負流速部分均能通過三性檢驗,但負流速部分與正流速部分相比,系統(tǒng)誤差偏大,且隨機不確定度不能滿足SL337—2006《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》[11]中“潮流量測驗小于15%”的要求,說明要加強對負流速部分的測驗.從前文的分析可知,將左右岸2臺SL所測得的流量作為一個整體考慮具有更高的精度,而手工定線優(yōu)于計算機定線,故使用手工定出的曲線進行流量推求.通過2臺SL采集到袁浦SL流速和聞堰SL流速以及測時水位,得到每5min 1個的流速系列,依照手工定線曲線得到斷面平均流速(采用一元三點插值法[14],按照該法要求在手工所定曲線上讀取推流所需節(jié)點系列).由于每天要處理576個數(shù)據(jù)組,數(shù)據(jù)量大,需通過程序來完成.因此,采用VB開發(fā)了基于一元三點法原理的處理程序,推求出2008年6月1日至2009年12月31日之間符合南方片《水文資料整匯編》程序要求的斷面流量系列.

運行南方片《水文資料整匯編》程序的河道站水流沙模塊,進行逐日平均流量和逐日平均水位的推求,推流方法選用連實測流量法,得出之江站實測徑流量成果(表3).

表2 手工定線曲線三性檢驗結果Table 2 Test results of manual curves

表3 之江站實測徑流量成果與上游站推算徑流量成果對比Table 3 Comparison between measured discharge at Zhijiang hydrological station and calculated discharge at upstream station

把之江站實測徑流量成果和上游站推算徑流量成果進行對比分析,計算上游站推算徑流量采用的是面積比例法.上游控制站有諸暨水文站、分水江水文站、富春江電站,3站的集水面積分別為1719km2,3100km2和31645km2,之江水文站集水面積為41769km2,則比例系數(shù)A=41769km2/(1719km2+3100km2+31645km2)≈1.145.

把諸暨水文站、分水江水文站和富春江電站的實測徑流量之和乘以比例系數(shù)1.145,得到上游站推算徑流量成果(表3).

從表3可看出,之江站實測徑流量成果與上游站推算的徑流量成果之間總體差別不大,總的徑流量相對誤差為1.41%,但個別月份偏差較大,初步分析主要有以下原因:(a)面積比例法在降雨時空分布均勻和下墊面條件一致時效果較好,但整個錢塘江流域內降雨時空分布情況和下墊面條件差別很大;(b)未考慮區(qū)間引水調水的水量;(c)未考慮河槽內蓄水量變化;(d)富春江電站的出庫流量是根據(jù)發(fā)電出力推算出的,根據(jù)蘭江-富春江-新安江之間的平衡關系,該推算資料應該乘以多年平均系數(shù)1.07后使用,存在年際誤差;(e)上游站推流誤差及之江站的定線推流誤差.

3 結 論

a.聲學多普勒流速儀在錢塘江河口這種強涌潮條件下是可以應用的.

b.將左右岸2臺SL測到的流量作為一個整體考慮具有更高的精度,適合錢塘江特殊的涌潮條件,驗證了錢塘江河口區(qū)強涌潮情況下漲落潮時主流不一致、流態(tài)變化復雜的情況.

c.左右岸2臺SL測到的流量作為一個整體考慮的方法能夠掌握錢塘江的年徑流量及其年內分配,結束了錢塘江河口區(qū)無連續(xù)實測流量資料的歷史.

d.從手工定線三性檢驗的結果看,正、負流速部分均能通過三性檢驗,但負流速部分系統(tǒng)誤差比正流速部分大得多,負流速與正流速相比,流態(tài)變化更為復雜,測驗難度也相應較大,需要加強負流速部分的測驗,提高測驗精度.

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