H-ADCP在后峽水文站河道流量監(jiān)測中的應用

黃 超

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊83000）

1 項目區(qū)概況

烏魯木齊是新疆自治區(qū)的經濟、政治、文化中心，其地勢三面環(huán)山，山地面積占總面積50%以上，由東南向西北逐步降低。烏魯木齊河是烏市的“母親河”，主要補給形式為冰雪融水和降雨，因此洪水主要分為冰雪融水型和暴雨型，汛期一般為5～8月，多年平均徑流量1.12億m3，最大洪峰127m3/s。該河供應了烏魯木齊市30%的城市用水，同時汛期占據洪峰總量的50%，因此加強烏魯木齊河上游河道流量監(jiān)控，對下游烏魯木齊市應對暴雨洪災、建設水利設施意義重大。

2 H-ADPC河道水文自動監(jiān)測系統(tǒng)原理

H-ADCP（水平式聲學多普勒流速剖面儀）系統(tǒng)其原理是根據聲波頻率在移向觀察者和遠離觀察者時變高和變低，以此利用多普勒頻移原理測量水體流速。在適當位置安扎裝換能器，其既能發(fā)射信號又能接收信號，每個換能器都有自己固定的信號頻率，避免相互干擾，然后信號在被水中顆粒物散（默認與水速一致）射回后再被接收。每個換能器根據發(fā)出和接收信號的頻率變化計算出其差值，如式（1）［1］。

式中 Fd為聲學多普勒頻移 （kHz）；F為發(fā)射波頻率（kHz）；V為顆粒物沿聲束方向的移動速度（m/s）；C為聲波在水中的傳播速度（m/s）。

H-ADCP采用“指標流速法”對河流斷面進行監(jiān)測，即由局部流速估算斷面平均流速。為使結果精確，一般需測出不同水位下流量和斷面面積。由于某些區(qū)域（岸邊、死水邊）等監(jiān)測盲區(qū)，本文采用計算法來估算區(qū)域的水速，流速系數如表1［2］。

表1 各類岸邊流速系數參考值

3 H-ADPC河道水文自動監(jiān)測系統(tǒng)應用

3.1 后峽水文站及H-ADPC系統(tǒng)安裝要點

3.1.1 后峽水文站概況

后峽水文站是烏魯木齊河的上游控制站，同時也是天山北坡徑流試驗基地，集水面積381km2，河長33.9km，該水文站測驗河段順直，水流集中，斷面穩(wěn)定，可滿足高中低水位的水文測驗要求，其斷面以上流域的各監(jiān)測點水文信息是否夠能準確測量并傳遞，對于烏市防汛指揮有直接影響，因此其地理位置至關重要。但作為區(qū)域代表站，后峽水文站汛期降水豐富，山洪頻發(fā)，且交通不便，因此人工監(jiān)測流量難度大［3］。

3.1.2 H-ADPC系統(tǒng)安裝要點

3.1.2.1 H-ADCP儀技術參數

根據后峽水文站特點，烏魯木齊市水文局于2015年10月配備了美國SonTek公司SL500kHz型俯視式H-ADCP，具體技術參數如表2。

表2 SL500kHz型俯視式H-ADCP技術參數

3.1.2.2 H-ADCP儀安裝要點

后峽水文站河道為山區(qū)性河道，河道斷面近似于“V型”，H-ADCP系統(tǒng)安裝時，其安裝位置斷面河床要求沖淤變化小，河道順直，主流穩(wěn)定，兩岸邊坡不可有崩塌危險。為了能夠使儀器的光波束盡量覆蓋整個主流區(qū)域，設計在水中安設1根鍍鋅管樁，將H-ADCP儀探頭安設在管樁上如圖1［4］。

圖1 H-ADCP儀安裝位置

為保證測試儀器整體處于水平狀態(tài)，同時中心軸線與水流方向垂直，本項目調設儀器縱搖角度為-1.2°，橫搖角度為0.8°；為減少靠近岸邊的紊亂水流對測試結果的影響，將儀器盲區(qū)設置為2.5m，即波束的測量開始距離為2.5m。同時由于波束在超過38m時出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，則本項目將波束結束測量距離設定38m［5］。

3.2 后峽水文站H-ADCP系統(tǒng)流量測驗

3.2.1 H-ADCP系統(tǒng)精度

為驗證H-ADCP系統(tǒng)的精度是否符合要求，后峽水文站將H-ADCP系統(tǒng)2017年統(tǒng)計結果與人工測量數據進行比對，待驗證合格后再將整套系統(tǒng)投入使用，數據結果如表3。結果可知，H-ADCP系統(tǒng)測量偏差范圍保持在±8%以下，測量精度滿足使用要求。

表3 H-ADCP系統(tǒng)與實測數據對比 單位：m3/s

3.2.2 H-ADCP系統(tǒng)測量結果

后峽水文站的H-ADCP系統(tǒng)總體構成如圖2［6］。測量數據測得從傳輸到終端僅需要數秒鐘便可完成。該系統(tǒng)具有簡單、快捷、全天候、高精度等優(yōu)點。

圖2 后峽水文站H-ADCP系統(tǒng)

本項目系統(tǒng)測量通過2018年全年使用考驗未出現(xiàn)較大變化，汛期的時間和洪峰流量與2017年基本一致，由此可見，H-ADCP系統(tǒng)測量的數據完全可用于洪水災害防治參考。

4 結語

（1）烏魯木齊河后峽水文站通過引進H-ADCP系統(tǒng)，實現(xiàn)了河道流量自動化監(jiān)測，應用效果顯示良好。

（2）H-ADCP系統(tǒng)調試和安裝是核心工程，前期必須緊密結合人工測量數據對系統(tǒng)進行修正。否則會出現(xiàn)測量偏差。