感潮河段流量在線監(jiān)測方法研究

侯二虎，汪小勇，武 賀，周慶偉，吳國偉，白 楊

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

感潮河段是指流量和水位受到潮汐影響的河段[1]。感潮河段的水流特征與一般河流中單向水流不同，河流自然流態(tài)在潮水漲、落的影響下，順逆變化，給河流流量的測驗帶來很大的影響[2]。感潮河段受到潮流、徑流及風浪的相互作用，水流多變，流態(tài)非常復雜，使得在測驗儀器、測驗方法和資料分析方面，要比無潮河流困難的多[3]。河流流量是水資源評估的標準基礎數(shù)據(jù)，準確、方便、快速的河流流量測量技術(shù)是其最基本的保障[4]。對徑入海河水徑流通量變化進行研究，對于流域與河口的水資源管理與環(huán)境管理有重要的實際意義[5]。

傳統(tǒng)的河流流量測驗方法包括人工船測、橋測、纜道測量和涉水測量等，需要在測流斷面上布設多條垂向，并在每條垂向上測量水深與流速，得到垂向平均流速進而得到斷面平均流速，比較費工費時，效率低[6]。為適應發(fā)展需要，水文工作對流量測驗的精度、效率等要求越來越高，傳統(tǒng)測流手段難以滿足實際需要，新的測驗方式、測驗儀器逐步應用于水文測驗中[7]。ADCP 即聲學多普勒海流剖面儀是利用多普勒效應原理，測量高分辨率的瞬時流速，并測量水流深度或水流寬度，能直接計算出河道的斷面流量，極大地提高了流量測量的效率和精度。該方法已得到較大范圍的應用，其精度也得到了較為廣泛的認可[8]。祁祥禮[9]利用走航式ADCP 技術(shù)在鴨綠江的感潮河段進行了5 個斷面的流量同步觀測工作，獲得了大、中、小潮時的流量變化資料，并對潮汐影響進行了分析。陳利晶等[10]在黃浦江的感潮河段中，對比分析了ADCP 與傳統(tǒng)流速儀在應用上的優(yōu)缺點，結(jié)果表明了ADCP 較傳流速儀有著高效、精確、快速等優(yōu)點。韋立新等[11-12]針對長江下游感潮河段，通過指標流速法建立了ADCP 在線測流系統(tǒng)，填補了長江感潮河段測驗系列資料的空白，實現(xiàn)了流量實時監(jiān)測及全年流量的過程推求。張華章[13]利用水平聲學多普勒流速剖面儀（H-ADCP），選取水平平均流速作為指標流速推算斷面平均流速，構(gòu)建了流量自動監(jiān)測站。張紅衛(wèi)等[14]利用HADCP 測流技術(shù)，建立了指標流速與斷面平均流速的一元二次線性關系，實現(xiàn)了自動測流系統(tǒng)。沈鴻金與詹智慧等[15-16]研究了感潮河段河流流量自動監(jiān)測系統(tǒng)，指出了感潮河段自動流量測驗的復雜性，并以珠江三角洲的天河水文站為例，探討了自動監(jiān)測的精度與可行性。

流量監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)可以得到入海污染物通量數(shù)據(jù)，如果流量及水質(zhì)均可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，則可實現(xiàn)對污染物通量的實時在線監(jiān)測，可改善目前污染物通量仍多為基于稀疏數(shù)據(jù)估算的研究現(xiàn)狀。林俊良等[17]仍利用稀疏數(shù)據(jù)對廣西近十年主要污染物通量變化進行研究。袁宇[18]指出了由于監(jiān)測頻次低對于入海通量估算帶來的數(shù)據(jù)稀疏問題，其原因即是當前監(jiān)測數(shù)據(jù)非常有限。研究合理的在線監(jiān)測實現(xiàn)方法與實現(xiàn)形式，對于實時掌握流量乃至通量等數(shù)據(jù)以及研究制定相關政策措施，均可提供強有力的技術(shù)支撐。目前已經(jīng)有學者將在線流量監(jiān)測技術(shù)應用至污染物通量監(jiān)測研究中。鄺俊俠等[19]利用在線多普勒流量儀對水環(huán)境污染通量進行了在線監(jiān)測研究，通過走航式ADCP 進行了斷面測量，采用指標流速法建立了經(jīng)驗公式，為通量的在線準確監(jiān)測提供了技術(shù)參考。

本文利用ADCP 在灤河入?？诟谐焙佣翁?，采用指標流速法建立了垂向流速與斷面平均流速的關系式，并且運用在線監(jiān)測的形式測量入海河流的流量，提高了流量測驗工作的質(zhì)量和效率。對比分析了下游水文站處與入海口感潮河段處的水文特性，指出了水文控制斷面的選擇對于感潮河段的科學意義，為提高我國水文預報精度及現(xiàn)代化水平，提供了技術(shù)支撐。

1 測站及測量概況

1.1 灤河概況

灤河上游發(fā)源于河北省豐寧縣巴延屯圖古爾山麓，平面形態(tài)猶如閃電之形在壩上高原區(qū)，流經(jīng)內(nèi)蒙古，又折回河北，于樂亭縣兜網(wǎng)鋪注入渤海，干流全長888 km，流域面積44 750 km2[20]。灤河流域中上游是京津的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)保護區(qū)，是京津冀協(xié)同發(fā)展的重要組成部分。灤河流域由于經(jīng)濟社會發(fā)展，其水資源供需矛盾突出，污染防治任務艱巨[21]。同時渤海灣也以灤河口至黃河口為東界，是匯入渤海灣的主要河流之一[22]。對灤河開展流量自動測量研究，分析感潮河段水文特性，可全面了解灤河匯入渤海灣的徑流量，為灤河及渤海灣環(huán)境管理及治理工作提供數(shù)據(jù)支撐。

灤河在位于河北省境內(nèi)共有4 個水文站，如圖1 所示，按照距入?？谶h近，分別為位于承德市承德縣境內(nèi)的烏龍磯、唐山市遷西縣境內(nèi)的三道河子、唐山市玉田縣境內(nèi)的郭家屯、唐山市灤縣水文站。每日各站位的流量信息可從水利部下屬的全國水雨情信息網(wǎng)查到[23]。灤縣水文監(jiān)測站是灤河最下游的水文控制斷面，如圖2 所示，距灤河入?？谔幦杂?0.6 km，此區(qū)域內(nèi)水文流量數(shù)據(jù)屬于空白區(qū)域，無論是研究入海徑流量及污染物通量，均存在不可忽視的誤差。

圖1 河北省內(nèi)灤河水文站（全國水雨情信息網(wǎng)）

圖2 測站位置

1.2 測量概況

為全面了解灤河入海河段水文特性，本文首先于2018 年9 月13 日在灤縣水文站處利用走航式ADCP 及“闊龍”聲學剖面流速流向儀測量了流量及流速、流向。并于2018 年9 月14 日在灤河入海口處測量了水文特性，利用走航式ADCP 方法得到了斷面平均流速及流量等數(shù)據(jù)，基于指標流速法，利用“闊龍”得到了垂向平均流速，通過率定分析，建立了感潮河段的流量在線監(jiān)測站，分析了控制斷面選取不同對流量監(jiān)測的影響，實現(xiàn)了在河流最終入海處建立控制斷面，并可提供灤河實時的入海徑流量數(shù)據(jù)。

本文采用指標流速法研究了感潮河段流量在線監(jiān)測方法，指標流速是河流橫斷面上某處的局部流速（某一局部的實測流速），斷面平均流速可以認為是河流斷面上的總平均流速。斷面監(jiān)測的最理想情況是可以實現(xiàn)全斷面的流速實時測量，加上河道面積信息便可以得到控制斷面處的實時流量數(shù)據(jù)。但是由于河道斷面形狀復雜及面積過大，現(xiàn)有水文儀器無法做到實時覆蓋全部斷面的測量，只能監(jiān)測某一區(qū)間內(nèi)的斷面流速。指標流速法的本質(zhì)是由局部流速來推算斷面平均流速，建立斷面平均流速與指標流速之間的相關關系，又稱為相關分析法或回歸法[24]。實際應用中，有3 種局部流速可以作為指標流速：點流速、垂向平均流速、水平平均流速，如圖3所示。

圖3 三種指標流速示意

本文采用垂向平均流速作為指標流速，采用2 MHz 的“闊龍”聲學剖面流速流向測量儀測量垂向平均流速，輸出數(shù)據(jù)的時間間隔為10 min?！伴燒垺甭晫W剖面流速流向測量儀的分辨率為1 mm/s，準確度為所測流速的1%±0.5 cm/s，測量剖面范圍為0～12 m，測速范圍為±10 m/s。測量時選用浮式平臺作為搭載“闊龍”的支撐平臺，如圖4 所示，測量方式為從水面至水底，“闊龍”利用“常平架”結(jié)構(gòu)形式固定于浮式平臺上，以保持自身姿態(tài)處于豎直狀態(tài)。

采用1 200 kHz 的“瑞江”走航式ADCP 測量斷面流量及斷面平均流速，ADCP 安裝在無動力無人船上，采用拖曳于漁船上的形式進行斷面往復測量，如圖5 所示。走航式 ADCP 測速范圍為 0～±20 m/s，分辨率為 0.01 m/s，測量精度為±0.25%±2.5 mm/s，可測量70 m 以淺水深內(nèi)的剖面流速、流向數(shù)據(jù)。

圖4 “闊龍”聲學多普勒流速、流向剖面儀

圖5 走航式ADCP 現(xiàn)場測量圖

1.3 水文特性分析

1.3.1 灤縣水文站 灤縣水文站處水面寬度約為113.2 m，監(jiān)測站位處水深為4.0 m。采用“闊龍”測得的流速、流向過程曲線如圖6 所示，監(jiān)測時間為9：30～16：10，分析數(shù)據(jù)取自 1.5 m 層深。

圖6 灤縣水文站流速、流向曲線

可以看出，灤縣水文站處流速與流向數(shù)據(jù)均較穩(wěn)定，顯然沒有受到潮波的影響，流向一直穩(wěn)定在190°附近，總體標準差為17.24°。流速較小，平均流速為0.1 m/s，總體標準差為0.02 m/s。

通過走航式ADCP 監(jiān)測灤縣水文站處的流量數(shù)據(jù)，監(jiān)測時間為 9：43～14：26，共 14 個測回數(shù)據(jù)，測得平均流量為50.1 m3/s，當日灤縣水文站上報流量為50 m3/s。無人船測得的流量與水文站測得流量數(shù)據(jù)相對誤差僅為0.2%，驗證了測量方法的準確性。

圖7 入?？谔幜魉佟⒘飨蜻^程曲線

1.3.2 灤河入?？?入海口處監(jiān)測斷面寬度約為344.6 m，河面寬度較灤縣水文站處增大了204.4%，監(jiān)測站位處水深為2.0 m，較灤縣水文站處水深減小了50%。采用“闊龍”測得的流速、流向過程曲線如圖7 所示，流速與流向數(shù)據(jù)取自1 m 層深，測量時間為8：10～20：10。潮位數(shù)據(jù)來源于京唐港潮汐表，京唐港與灤河入?？谥本€距離僅相距35 km，可借鑒此處潮位信息。潮位過程曲線如圖8 所示。

圖8 京唐港潮位過程曲線

通過圖7 和圖8 可以看出，灤河入海河口屬于典型的感潮河段，河流流向及流速受到海洋潮波影響顯著，潮汐類型屬于半日潮。高潮時和低潮時，流速最小，為轉(zhuǎn)流時段；漲急與落急時段出現(xiàn)在半潮面處，故此處潮波屬于駐波類型。當日最高潮位為2.22 m，出現(xiàn)在 3：43，最低潮位為 1.08 m，出現(xiàn)在22：17，當日最大潮差為1.11 m。

9：40～15：40 為漲潮階段，流向在 240°附近，為西流，海水由渤海灣倒灌進灤河，流速較小，最大流速為 0.26 m/s。16：00～22：00 為落潮階段，流向約為80°，為東流，河水由灤河注入渤海灣，流速較大，最大流速為0.50 m/s。

1.3.3 流量估算 感潮河段由于顯著受到潮汐周期性漲落的影響，導致水文情況較常規(guī)河流更加復雜，如何精確地估算其入海徑流量，是水文監(jiān)測中的難點。根據(jù)河流水文特性，發(fā)展適宜的在線監(jiān)測方法，可有效提高監(jiān)測頻次，縮小徑流量估算誤差。本文徑流量監(jiān)測屬于短時估算方法，徑流量計算公式見式（1）。

式中：Qt為感潮河段的徑流量；t0為落潮開始時間；t1為落潮憩流開始時間；t2為漲潮開始時間；t3為漲潮憩流開始時間。

本次監(jiān)測得的落潮期流量平均為242.0 m3/s，漲潮期流量平均為129.9 m3/s，矢量和得到灤河入海口處流量為112.1 m3/s。而灤縣水文站處測得流量為50.1 m3/s，流量數(shù)據(jù)增大了124%，在水文站至入海河口長達70.6 km 的范圍內(nèi)，灤河徑流量有了很大的增長，控制斷面設在最終入海口處，可以顯著提高水文監(jiān)測的精度，掌握更加精確的入海信息。

2 率定分析

2.1 比測

流量在線監(jiān)測實現(xiàn)流程如圖9 所示，根據(jù)流量計算公式Q=A×V，其中A為河道斷面面積，V為河道斷面平均流速，實現(xiàn)A與V的在線監(jiān)測，即可實現(xiàn)流量的在線監(jiān)測。本文利用無人船搭載走航式ADCP 在灤河入?？谔庨_展了指標流速的比測工作，找到了垂向指標流速與全斷面平均流速的相關關系，在運用走航式ADCP 進行全斷面流量測驗的同時，“闊龍”以10 min 采樣間隔進行測量。

比測前，各相關設備均進行了標準授時校準，相互之間偏差小于5 s，確保時間同步。共同步施測點數(shù)22 個，走航式ADCP 平均單次測量耗時5'12''。對比測驗資料進行整理計算，并對測驗成果進行率定分析，得到灤河試驗站指標流速Vi和斷面平均流速Vp的相關關系。

建立率定關系又稱作對指標流速與斷面平均流速建立回歸方程，常用的回歸方程包括一元線性、一元二次、冪函數(shù)、符合線性等。通?？梢圆捎脦追N方程進行回歸分析，然后對回歸分析結(jié)果進行綜合評價后確定“最佳”回歸方程[14]。本文采用最小二乘法建立了一元線性回歸方程，方程公式為Vp=0.933Vi-0.002 1，關系曲線如圖10 所示。其中指標流速來源于“闊龍”聲學剖面流速流向測量儀，采用其垂向平均流速。

圖9 指標流速法流程

2.2 誤差分析

為衡量流速與斷面平均流速關系曲線的預測吻合度，本文對關系式做了誤差分析，選用決定系數(shù)、殘差平方和、總平分和與均方誤差來衡量關系式的質(zhì)量，見式（2）～式（5），誤差分析結(jié)果見表1。

圖10 指標流速與斷面平均流速關系曲線

殘差平方和SSE

式中：m為比測次數(shù)；yi是實測數(shù)據(jù)值；fi為曲線預測值。

總平方和SST

式中：yavg是實測數(shù)據(jù)點的平均值。

決定系數(shù)R2

均方誤差MSE

表1 關系曲線誤差分析

從表1 可以看出，本文建立的一元線性回歸方程可以較好的預測斷面平均流速，決定系數(shù)R2為0.948，均方誤差MSE僅為0.000 4?；凇伴燒垺睖y得的指標流速與基于走航式ADCP 測得的斷面平均流速間的吻合度非常高，此回歸方程可以用于灤河入?？谔幍牧髁孔詣訙y驗工作中。

2.3 檢驗分析

《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）[25]規(guī)定：關系曲線為單一曲線、使用時間較長的臨時曲線及經(jīng)單值化處理的單一線，且測點在10 個以上者，應做符號、適線和偏離檢驗。本文對上述率定關系曲線做了檢驗分析，結(jié)果詳見表2。

表2 檢驗結(jié)果

從表2 的檢驗分析結(jié)果來看，監(jiān)測站“闊龍”測得的指標流速和斷面平均流速關系檢驗的各項統(tǒng)計參數(shù)誤差均符合規(guī)范要求，指標流速和斷面平均流速關系成單一關系，利用垂向平均流速獲取斷面平均流速的方法是可行的，滿足流量監(jiān)測的需要。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)

本文研究的流量監(jiān)測系統(tǒng)，目標是為完成感潮河段流量的實時、在線監(jiān)測，以實現(xiàn)將入海河流的水文監(jiān)測控制斷面設在最終入海口處，提高現(xiàn)有水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。本文建立的流量在線監(jiān)測站可實時發(fā)送通過“闊龍”聲學剖面流速流向測量儀測量的數(shù)據(jù)，上傳至自動化監(jiān)測系統(tǒng)，如圖11 所示，圖中展示了自動監(jiān)測站位位置。

圖11 在線監(jiān)測站點

通過本系統(tǒng)可查看“闊龍”測量的各層流速、流向數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，也可以查看并下載歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析。結(jié)合上文通過率定分析得出的指標流速與斷面平均流速的回歸方程，可推導出測量斷面的平均流速，進而可以得出斷面流量，從而實現(xiàn)實時、在線流量監(jiān)測的功能。

4 結(jié)論

本文研究了灤河下游水文特性及實現(xiàn)流量在線監(jiān)測的意義，并在灤河入?？谔幗ㄔO了流量在線監(jiān)測站，獲得以下結(jié)論：

（1）灤河入?？谔帉儆诘湫偷母谐焙佣危辈▽儆隈v波類型，入?？谔庉^最下游水文站處流量增大了124%，水文控制斷面設在最終入?？谔幙商岣咚谋O(jiān)測數(shù)據(jù)精度。我國大多數(shù)河流的下游水文站均距離入?？谳^遠，在入?？谔幵O立流量監(jiān)測站，可填補此區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)空白。

（2）本文建立了指標流速與斷面平均流速間回歸方程，指標流速選為“闊龍”測量的垂向平均流速，回歸方程的決定系數(shù)達到了0.948，均方誤差僅為0.000 4，并且符號、適線及偏離檢驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

（3）感潮河段受潮汐影響劇烈，尤其是漲急、落急時刻，流速變化非?？?，而入海口處河流寬度普遍較大，單次測量時間較長，增大了斷面平均流速的測量誤差，如本文走航式ADCP 單次測回平均耗時已經(jīng)達到了5'21''。感潮河段斷面測量可探索在同一斷面上布設多條船只，采用同時、同方向測驗的監(jiān)測方式，以減小測量誤差，提高關系曲線精度。

本文是對我國近海普遍存在的感潮河段流量在線監(jiān)測方法的初步探索，后續(xù)研究應增加斷面測量的時間及頻次，并研究同時采用兩種及以上局部流速作為指標流速的率定方法，以進一步提高關系曲線的適用性及精度。本文研究成果可以提高感潮河段的流量監(jiān)測精度，為詳細了解河流入海狀況以及提高水文預報水平提供技術(shù)支撐。