云南勐省水文站S5型走航式ADCP比測試驗分析

玉潔

(云南省水文水資源局 臨滄分局，云南 臨滄 677000)

“聲學(xué)多普勒流速剖面儀器(ADCP)引進與應(yīng)用研究”是由云南省水文水資源局于2009年申報并獲水利部批準(zhǔn)立項，首次由云南水文系統(tǒng)組織實施的“948”計劃項目，項目執(zhí)行期為2010年4月至2012年3月。項目引進設(shè)備包括SL500型固定式在線流速流量剖面儀、M9和S5型走航式ADCP、Flowtracker便攜式流速剖面儀等。臨滄分局勐省水文站負(fù)責(zé)S5型走航式ADCP的比測工作，分析研究其在不同測流環(huán)境下的適應(yīng)性、設(shè)備的使用范圍和技術(shù)要求。

1 測站基本概況

勐省水文站于1960年3月由云南省農(nóng)業(yè)廳水利局設(shè)立，位于云南省臨滄市滄源縣勐省鎮(zhèn)勐省大橋左岸，2004年6月下遷180 m，改稱勐省(二)水文站，系瀾滄江流域瀾滄江水系小黑江干流控制站，屬區(qū)域代表站，集水面積1 766 km2。測驗項目有水位、流量、輸沙率、降水量、水溫、岸溫和水面蒸發(fā)量等。該站屬二類精度站。

勐省站測驗河段順直長約300 m，河床由砂卵石組成，左岸為沙壤土，右岸為天然土石組成，河槽形態(tài)近似矩形，中高水主槽寬度約47 m?；緮嗝嫦掠?0 m處有一座5孔拱橋，橋下50 m有漫灘，對該站中高水的測驗有影響。點繪勐省水文站2009～2013年大斷面圖見圖1，可以看出斷面相對穩(wěn)定。

圖1 勐省水文站大斷面示意

2009年12月開始，斷面下游100 m處建橋修筑施工圍堰，對該站的水位流量關(guān)系曲線影響較大。2011年7月19日，施工圍堰被沖毀，2011年8～12月的水位流量關(guān)系與2009年重合，水位流量關(guān)系詳見圖2。

圖2 勐省水文站水位流量關(guān)系

2 試驗?zāi)康摹?nèi)容與資料收集方法

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過比測試驗，探索走航式ADCP的適用范圍及應(yīng)用條件，分析出該儀器在云南山區(qū)性河流中推廣應(yīng)用的可行性及必要性，總結(jié)出應(yīng)用RiverSurveyor S5測流的先進性及適用性，以克服受水利工程等人類活動影響、回水嚴(yán)重、水流條件復(fù)雜導(dǎo)致的流速流量測驗困難。

2.2 試驗內(nèi)容

根據(jù)《水利部“948”計劃“聲學(xué)多普勒流速剖面儀器引進與應(yīng)用研究”項目2011年研究工作任務(wù)及實施計劃》，按照云南省水文水資源局和臨滄分局的比測方案要求，結(jié)合勐省水文站測驗設(shè)備實際情況，采用RiverSurveyor S5和纜道流速儀同步施測流量，對兩種方法流量成果進行相關(guān)分析和誤差分析，以確定設(shè)備的應(yīng)用水深和測速范圍；測流時同步開展懸移質(zhì)單樣含沙量測驗，以分析不同含沙量對測驗精度的影響；每次比測時，分別用5種船速拖動RiverSurveyor S5，以分析研究船速與測驗精度的關(guān)系。

2.3 資料收集方法

勐省水文站傳統(tǒng)的流量測驗方法為纜道流速儀法，當(dāng)水位較高，使用流速儀法測流困難時，用比降面積法推算斷面流量。一般情況下，實測水深、水面寬、面積、流速，用一點法(y=0.6)測流。水位較高無法實測水深或洪水漲落較快時，借用斷面，用水面一點法測流；當(dāng)水位變化平緩且水深滿足三點法測驗要求時，則采用三點法測流。

流速儀法完成流量測驗后，用5種船速拖動RiverSurveyor S5。根據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》[1]4.2.16條第三款“應(yīng)計算所測流量的算術(shù)平均值、每半測回流量值與平均值的偏差。如果最大偏差大于5%，應(yīng)根據(jù)水情變化情況和測驗過程進行分析”[1]的要求，以滿足測驗精度的船速進行單次流量測驗，兩個測回4個流量數(shù)據(jù)，且其中3個流量數(shù)據(jù)誤差滿足要求，求其平均值，作為單次流量成果。另外4種船速測驗一個測回共2個流量數(shù)據(jù)，求其平均值。

3 比測儀器設(shè)備

3.1 傳統(tǒng)流速儀

勐省水文站用纜道流速儀法施測的斷面流量，水深、信號數(shù)及時間均為單片機記錄打印。采用江西九江水文局生產(chǎn)的HCS-2000A型控制柜，LS25-1或LS25-3A型旋漿流速儀。所用流速儀均按規(guī)范要求定期進行檢定，每次使用后用清水清洗，并用專用儀器油進行養(yǎng)護，儀器轉(zhuǎn)動靈活，未發(fā)生銹蝕或損壞現(xiàn)象。

3.2 RiverSurveyor S5流速儀

RiverSurveyor S5是美國YSI/SonTek公司開發(fā)的先進測流儀，儀器采用全新的電子電路、硬件、軟件、數(shù)據(jù)通訊和船體。S5體積小巧、功能強大、易于操作，是專門為水深小于5 m的河流或明渠淺水流量測驗而設(shè)計的。S5有5個探頭，其中4個為3.0 MHZ的對稱波束，1個為1.0 MHZ的垂直波束。

4 比測分析

4.1 不同水位級流量比測方法與精度分析

4.1.1 比測方法

勐省水文站2011年最高水位為 942.24 m，發(fā)生在7月19日11:30；最低水位為 940.19 m，發(fā)生在5月15日23:00。比測期間，流速儀法實測流量最高水位941.94 m，最低水位940.48 m；S5比測流量最高水位941.90 m，最低水位940.47 m。由于水位超過 941.21 m時，S5底跟蹤丟失，無法測量船速，導(dǎo)致測出的流量數(shù)據(jù)錯誤或誤差過大，無法用于比測分析。按照勐省水文站測站任務(wù)書規(guī)定水位分：高水水位,H≥942.00 m；中水水位，942.00 m>H≥941.07 m；低水水位，H<941.07 m[2]。勐省水文站2011年有效比測工作均在中低水位進行。

2011年S5與流速儀共比測45次，其中，S5數(shù)據(jù)正常的測次為38次，不正常的7次。不正常的測次主要集中在7月份配置RTK-GPS前，水位超過941.21 m，底跟蹤丟失，造成S5所測的流量數(shù)據(jù)錯誤。8月31日配置RTK-GPS后，勐省水文站發(fā)生的最高水位為 941.10 m，低于底跟蹤丟失時的臨界水位 941.21 m。由于未開展使用RTK-GPS后的有效比測，因此不能確定水位超過 941.21 m時，在增配RTK-GPS后S5的使用效果。

流速儀法與S5法比測時，首先用流速儀法測出斷面流量，然后借助水文纜道，用相同的速度拖動S5測出相應(yīng)流量作為比測值。每次流量最少兩個測回，并剔除每測回流量的算術(shù)平均值與半測回流量值偏差大于±5%的流量，剔除后追加測回，取兩個測回的平均值作為一個樣本。

4.1.2 相關(guān)關(guān)系分析

以流速儀法流量為縱坐標(biāo)，S5所測流量為橫坐標(biāo)，點繪相關(guān)關(guān)系圖見圖3。

圖3 流速儀與S5測驗流量比測相關(guān)關(guān)系

從圖3可以看出，兩者呈現(xiàn)很好的冪函數(shù)關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系式為：Q流=0.974 7QS50.9984，相關(guān)系數(shù)為R=0.99，其良好的相關(guān)關(guān)系不受下游施工圍堰的影響。圍堰沖毀前水位虛高，相同水位下流速儀和S5測出的流量都一樣偏?。粐邲_毀后，流速儀和S5測出的流量一樣恢復(fù)正常。

4.1.3 單次流量隨機誤差分析

以流速儀法流量為標(biāo)準(zhǔn)流量，用S5法計算出的流量與其進行單次流量的隨機誤差分析對比見圖4，詳細(xì)分析表見表1。

圖4 流速儀法S5法流量相對誤差

從表1可以看出，單次流量測驗允許誤差滿足文獻[1]規(guī)定，即二類精度水文站中水總隨機不確定度不大于7%，低水總隨機不確定度不大于10%的要求。

4.1.4 S5法水位流量關(guān)系檢驗分析

從圖2可看出，該站圍堰沖毀前高、中、低水位級所對應(yīng)流量分別比沖毀后小9.0%，14.5%，35.8%。因此，為保證比測資料的一致性，將該站2011年7月19日下游橋梁施工圍堰沖毀前的11次流量作為一個時段，7月20日施工圍堰沖毀后的27次流量作為另一個時段，檢驗其水位-流量關(guān)系曲線。

表1勐省水文站流速儀與走航式RiverSurveyorS5比測數(shù)據(jù)分析

通過檢驗計算，圍堰沖毀前的水位-流量關(guān)系曲線符號檢驗合格，適線檢驗免檢，偏離值檢驗合格，標(biāo)準(zhǔn)差檢驗合格；圍堰沖毀后的水位-流量關(guān)系曲線符號檢驗合格，適線檢驗合格，偏離值檢驗合格，標(biāo)準(zhǔn)差檢驗合格。兩個時段的隨機不確定度和系統(tǒng)誤差滿足文獻[3]“3.3.2條二類精度水文站采用ADCP測流，單一曲線法定線時，系統(tǒng)誤差應(yīng)在±2%的范圍，隨機不確定度應(yīng)不大于12%”的規(guī)定。

4.2 含沙量對流量測驗精度的影響分析

勐省水文站斷面上游森林覆蓋率約達75%，流域植被條件良好，斷面洪水含沙量較小。2011年實測最大單沙 5.46 kg/m3，按照單斷沙關(guān)系，求得最大斷面平均含沙量 4.94 kg/m3。由于相對較大的沙峰過程都因水位高，超過 941.21 m，S5流量數(shù)據(jù)出錯，導(dǎo)致缺失大洪水含沙量期間的比測數(shù)據(jù)，因此無法分析在高洪期含沙量對斷面采用S5法的流量測驗精度影響程度。全年S5與流速儀比測并同時測取斷面含沙量的有效測次38次，比測時斷面最大含沙量為 0.942 kg/m3，最小含沙量為0.031 kg/m3，流量比測相對偏差與含沙量關(guān)系對比詳見圖5。

圖5 不同含沙量流速儀法與S5法流量相對誤差

從圖5可以看出，比測期間的斷面平均含沙量在 0.031～0.942 kg/m3之間，含沙量的變化尚未明顯表現(xiàn)出對S5測驗精度有顯著影響。

4.3 不同船速對斷面流量測驗精度的分析

測流過程中，應(yīng)保持穩(wěn)定的船速和船向，船速須小于或等于流速。由于勐省水文站用纜道拖動S5，而纜道行車的最大安全速度僅 0.40 m/s左右，比測期間斷面平均流速在0.64～1.50 m/s之間，受纜道設(shè)備條件限制，船速難以達到與斷面平均流速接近的速度。根據(jù)測站設(shè)備條件，每次比測時，選擇 0.363 m/s左右的船速作為測量標(biāo)準(zhǔn)值，分別用0.238，0.280，0.313m/s和0.335 m/s的4種船速與之比測，進行船速與測驗精度分析，不同船速S5法流量相對誤差圖詳見圖6。

圖6 不同船速流速儀法與S5法流量相對誤差

從圖6看出，4種比測船速與標(biāo)準(zhǔn)船速所測出的流量接近，偏差均小于文獻[1]規(guī)定的5%的范圍，相對偏差成正態(tài)分布，未出現(xiàn)系統(tǒng)偏離的情況，船速的變化未對S5測驗精度造成顯著影響。

5 結(jié) 論

通過S5在勐省水文站的比測分析，得出以下結(jié)論。

(1)S5 是一款先進的淺水流量測驗設(shè)備，測驗精度高，測量歷時短，適用于山區(qū)河流的洪峰流量搶測，能夠廣泛用于山區(qū)河流流量測驗工作中。但是，水深、流速及含沙量應(yīng)在該儀器測量范圍內(nèi)，遇到漂浮物較多、波浪太大時，不宜選擇該種儀器測流。

(2)斷面最大水深小于1.75 m時，S5法流量測驗精度較高；斷面最大水深大于1.75 m時，S5會發(fā)生底跟蹤丟失現(xiàn)象，所測的流量數(shù)據(jù)誤差較大，甚至無流量數(shù)據(jù)。為防止高水位時S5發(fā)生底跟蹤丟失，必須配置RTK-GPS，并增加對高水的比測工作。

(3)當(dāng)船速低于斷面平均流速，且船速盡量保持一致的情況下，不同船速對S5的測驗誤差影響程度基本一致。由于受勐省水文站比測條件的限制，船速無法達到斷面平均流速，因此，目前無法判定高船速對S5流量測驗誤差的影響是否顯著。

(4)由于勐省水文站斷面含沙量相對較小，加之S5受水深影響，導(dǎo)致2011年比測工作中未獲取到較大含沙量的比測試驗數(shù)據(jù)參與分析。因此，還無法判定S5正常使用時的含沙量變化范圍，也無法定量分析含沙量對流量測驗精度的影響。通過比測試驗分析可知，斷面含沙量在 0.039～0.942 kg/m3范圍時，含沙量的變化對S5的測驗精度無影響，S5可正常使用且精度滿足規(guī)范要求。