浮標(biāo)式ADCP在竹銀水文站的比測(cè)試驗(yàn)

□楊林輝（中山水文測(cè)報(bào)中心）

0 引言

珠江流域出?？谑恰叭瓍R聚，八口分流”，是世界上最為復(fù)雜的三角洲之一。磨刀門水道是西江干流主要出海口門，北起廣東省江門市新會(huì)區(qū)大鰲鎮(zhèn)百頃頭，流經(jīng)中山市與新會(huì)區(qū)、斗門縣邊界，南至珠海市洪灣企人石入海，全長(zhǎng)54 km。磨刀門水道屬?gòu)?qiáng)徑流弱潮流河口，且明顯受海洋潮汐影響，其年徑流量和年輸沙量均為八大口門之冠，年徑流量923億m3，占八大口門總量的28.3%，在珠江三角洲水系中占有極為重要的地位。上游河段竹洲頭至燈籠山長(zhǎng)期保持小喇叭狀和多沙洲特點(diǎn)，下游河段燈籠山至大井角原屬淺海區(qū)，分布著許多沙洲和淺灘。磨刀門水道由于其充沛優(yōu)質(zhì)的徑流資源而成為中山、珠海、澳門等地的主要供水水源地，沿岸有稔益、潮聯(lián)、平崗、南鎮(zhèn)、全祿、廣昌等水廠與泵站，并有新建的竹銀水庫(kù)取水口。

三角洲網(wǎng)河區(qū)在徑流和潮流的共同作用下，一年中大部分時(shí)間水流為雙向往復(fù)流，因受潮汐影響，每日水位有兩漲兩落周期性變化，進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)和推算的難度較大。

1 浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)的內(nèi)容

為了掌握磨刀門水道流量等水文要素情況，配合珠海市水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理系統(tǒng)，充分利用磨刀門水道水資源量，解決枯水期對(duì)珠海城市和對(duì)澳供水的矛盾，提升珠海市水資源管理水平，為珠澳兩地應(yīng)對(duì)突發(fā)水污染（咸潮）事件的應(yīng)急處置提供及時(shí)、科學(xué)的決策依據(jù)，建設(shè)磨刀門水道流量等水文要素監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)）。此外，磨刀門是主流，算清水量對(duì)中山、珠海以及對(duì)澳供水等均有重大意義。浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)能滿足這方面的需求。

竹銀水文站的測(cè)流斷面位于基本水尺斷面，有較長(zhǎng)系列的流量測(cè)驗(yàn)資料和穩(wěn)定的流量關(guān)系，該斷面寬約620m，河段上下游順直，長(zhǎng)度約2 km，沙質(zhì)和淤泥質(zhì)河床，斷面較均勻，水深較大，沖淤變化較小，竹銀站最高水位2.62m，發(fā)生在2008年9月；最低水位-0.97m，發(fā)生在2007年2月；最大潮差3.02m；竹銀站左岸有土堤，右岸為山邊較高灘地，堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)是20年一遇。竹銀斷面上游約3.50 km處右岸為螺州溪分流口，下游約10m處，有一過(guò)河渡口，下游約130m處，右岸有一小涌，溝通螺州溪，涌口筑有水閘控制，與下游燈籠山站之間沒(méi)有大的支流匯入,石歧水道已建閘控制，因此，竹銀斷面基本上能控制磨刀門水道的出口流量。

2 測(cè)量方法

浮標(biāo)式ADCP測(cè)流是目前較為先進(jìn)的流量測(cè)驗(yàn)方式，是依據(jù)斷面代表垂線方法（固定位置），以先進(jìn)的聲學(xué)多普勒流速儀ADCP在該固定垂線上施測(cè)垂線平均流速，通過(guò)垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系推求斷面流量。由于三角洲頂部三水站、馬口站之下沒(méi)有流量站，僅靠分流比推算各河汊流量，且分流比驗(yàn)證非常復(fù)雜，需各河汊同步測(cè)驗(yàn)，需大量的人力物力等，目前無(wú)人值守流量測(cè)驗(yàn)較多的是固定式ADCP，但其受安裝條件的限制，要求較高，且受近岸水流影響較大，目前推廣浮標(biāo)式ADCP在磨刀門水道竹銀水文站使用。浮標(biāo)式ADCP投放在斷面代表垂線上，定時(shí)對(duì)垂線各分層流速、流向進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)GPRS傳輸，中心接收軟件對(duì)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)垂線法的流速與走航式ADCP施測(cè)斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，可以推求出斷面平均流速，再根據(jù)當(dāng)時(shí)水位查算斷面面積，從而可以得到整個(gè)斷面實(shí)時(shí)流量。

3 浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)簡(jiǎn)介

浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)中的浮標(biāo)體是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)，承載系統(tǒng)的所有儀器設(shè)備，為儀器設(shè)備提供可靠的運(yùn)行環(huán)境和安全防護(hù)，便于技術(shù)人員維護(hù)操作儀器，浮標(biāo)體采用杜邦公司Surlyn超強(qiáng)離子聚合泡沫膠做為浮體材料，極耐碰撞，為美國(guó)國(guó)家海洋及大氣局國(guó)家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心及美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)航標(biāo)及數(shù)據(jù)浮標(biāo)首選浮標(biāo)物料。具備如下性能特點(diǎn)：

重量輕、剛性強(qiáng)、浮力高，隨波性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、載重量大，便于投放和回收；彈性好，具防撞自體保護(hù)性能，碰撞時(shí)不會(huì)損壞碰撞物（如船只等），自身也不損壞、不沉沒(méi)，并能有效保護(hù)測(cè)量?jī)x器；低表面，抗腐蝕性強(qiáng)，能抵抗海洋生物沾附。耐受極端海洋環(huán)境如臺(tái)風(fēng)、暴風(fēng)雪等惡劣氣候能力強(qiáng)；浮體平臺(tái)上部不銹鋼支承架，用于安裝太陽(yáng)能板、數(shù)據(jù)傳輸天線、警示燈標(biāo)、雷達(dá)反射器等，以及浮標(biāo)吊裝、維護(hù)支撐等。

密封防水電控艙；內(nèi)置數(shù)據(jù)采集控制器、蓄電池以及狀態(tài)傳感器，電控艙不銹鋼底部透過(guò)穩(wěn)定硾直接與水體充分接觸，平衡艙內(nèi)溫度在適當(dāng)水平，防止夏天高溫?fù)p壞儀器設(shè)備。采用抗氯離子腐蝕的316 L高強(qiáng)度不銹鋼電控艙，艙壁厚10mm，艙蓋厚10 mm，抽真空密封測(cè)試，防護(hù)等級(jí)為IP68，耐受沖擊和碰撞，所有外接端口和測(cè)試口均為軍隊(duì)規(guī)格，密封性能極佳，野外操控性極好。艙內(nèi)裝有溫濕度傳感器，用于測(cè)試艙內(nèi)溫濕度，監(jiān)控電控艙滲漏以及溫度異常。

4 ADCP流量比測(cè)試驗(yàn)

數(shù)據(jù)對(duì)比分析采用走航式ADCP與浮標(biāo)式ADCP進(jìn)行比測(cè)，比測(cè)方式包括垂線平均流速對(duì)比、浮標(biāo)位置偏移等，分析各種誤差及范圍，推求垂線與斷面平均流速關(guān)系，最終達(dá)到以浮標(biāo)測(cè)得的垂線平均流速推求斷面流量的目的。

2012年9月18日至10月29日在磨刀門水道竹銀水文站浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)投放斷面進(jìn)行試驗(yàn)和比測(cè)分析，根據(jù)測(cè)驗(yàn)期間潮水位的變幅情況，按河道水流受潮洪雙向影響的水流特征，分大潮、小潮和平潮期3個(gè)階段，使用走航式ADCP與其進(jìn)行比測(cè)率定代表線工作，有效測(cè)點(diǎn)不少于30個(gè)，以率定垂線指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系。測(cè)量前，根據(jù)斷面的實(shí)際情況對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。按照原定潮流量測(cè)驗(yàn)方案進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。比測(cè)時(shí)間，每天從早上8:00至晚上8:00、在整點(diǎn)或半點(diǎn)前10 min開始，每隔半小時(shí)施測(cè)1次流量?？紤]到河面較寬，測(cè)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，而且水流變化復(fù)雜，為了取得更精確的流量值，在水流變化穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行兩個(gè)測(cè)回的斷面流量測(cè)驗(yàn)，在水流變化較大時(shí)，只測(cè)1個(gè)測(cè)回，取其平均值作為施測(cè)流量值。在每次測(cè)流結(jié)束時(shí)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)每半測(cè)回的流量值與平均值的偏差>5%時(shí)，及時(shí)復(fù)測(cè)。浮標(biāo)式ADCP斷面平均流速與指標(biāo)流速關(guān)系如圖1所示。

5 成果分析

5.1 大斷面測(cè)量

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)度情況及具體工作安排，于2012年9月23日使用測(cè)深儀、全站儀（交會(huì)法）對(duì)竹銀水文站浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流斷面進(jìn)行了大斷面測(cè)量工作。測(cè)量時(shí)，采用往返測(cè)的形式對(duì)兩種測(cè)量成果進(jìn)行比對(duì)分析，誤差范圍不超過(guò)±3%，符合水文規(guī)范的要求，確定采用返測(cè)成果作為計(jì)算流量的面積。

5.2 實(shí)測(cè)斷面平均流速計(jì)算分析

采用M9施測(cè)斷面流量，為了取得更精確的流量值，取2個(gè)測(cè)回平均值作為1次流量測(cè)驗(yàn)成果。根據(jù)實(shí)際情況，本次率定共收集了38個(gè)測(cè)點(diǎn)，并均勻分布在不同的流速級(jí)。結(jié)合測(cè)驗(yàn)時(shí)的水位以及相對(duì)應(yīng)的面積，計(jì)算出相應(yīng)的斷面平均流速。

5.3 垂線流速資料分析

根據(jù)M9的測(cè)驗(yàn)平均時(shí)間，采用浮標(biāo)ADCP數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)浮標(biāo)ADCP數(shù)據(jù)進(jìn)行回放處理，提取垂線各分層單元的流速，并根據(jù)垂線流速分布情況進(jìn)行合理性分析，最后確定相應(yīng)時(shí)間的垂線平均流速作為指標(biāo)流速。

5.4 垂線與斷面流速關(guān)系率定

根據(jù)M9測(cè)量的斷面流量，計(jì)算出相應(yīng)的斷面平均流速，與相應(yīng)時(shí)間的浮標(biāo)式ADCP測(cè)得的垂線平均流速數(shù)據(jù)（指標(biāo)流速），建立相關(guān)關(guān)系，并分析相關(guān)關(guān)系的密切程度，查找最佳相關(guān)關(guān)系。

本次比測(cè)率定共收集38個(gè)測(cè)點(diǎn)，且均勻分布在不同的流速級(jí)。經(jīng)率定，得到關(guān)系式為y=1.09x,R2=98.11×10-2,合格率為81.60%（誤差<±10%為合格），滿足規(guī)范的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

浮標(biāo)式ADCP自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)在珠江三角洲的應(yīng)用，創(chuàng)新了浮標(biāo)在水文要素收集方面的方式，最大的優(yōu)點(diǎn)就是移動(dòng)性強(qiáng)，特別適合網(wǎng)河區(qū)巡測(cè)和船只較多的河道斷面，投入資金也相對(duì)較少，運(yùn)行成本低。由于該系統(tǒng)投放位置環(huán)境偏僻，水流復(fù)雜，潮汐流向轉(zhuǎn)換較快，浮標(biāo)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)仍要不斷進(jìn)行不同流態(tài)下水流特性的比測(cè)率定分析工作，至少每年進(jìn)行1次不少于10個(gè)樣本、均勻分布的單～斷流速校驗(yàn)工作，才能保證獲得較為精確的流量數(shù)據(jù)。

[1]趙小慶,肖琳娜.聲學(xué)多普勒在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].湖南水利水電,2009(04).

[2]章樹安，陳松生.ADCP流量測(cè)驗(yàn)與誤差控制[J].東北水利水電,2002（4）.