H-ADCP系統(tǒng)在回水頂托場(chǎng)合的應(yīng)用以蘭溪水文站流量測(cè)驗(yàn)為例

李三平，方益銘，陳婉瑩，謝景濱，李旭光，陳 容

（1.浙江省水文管理中心蘭溪水文站，浙江 蘭溪 321100；2. 廣州和時(shí)通電子科技有限公司，廣東 廣州 511447）

1 問(wèn)題的提出

近十幾年來(lái)，河流流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化、智能化迅速發(fā)展，雷達(dá)、超高頻雷達(dá)、聲學(xué)多普勒、時(shí)差法、二線能坡法等現(xiàn)代化測(cè)流方法越來(lái)越多被應(yīng)用到明渠、河流流量測(cè)驗(yàn)中。其中，聲學(xué)多普勒測(cè)流系統(tǒng)（H-ADCP）是重要且技術(shù)成熟度高的一種流量測(cè)驗(yàn)手段，H-ADCP在國(guó)內(nèi)水文站[1-6]、感潮河段水文站[7-8]、平原河網(wǎng)[9]及水資源監(jiān)測(cè)[10-11]等方面均得到成功應(yīng)用，具有實(shí)時(shí)、快捷、準(zhǔn)確及在不同水流中適應(yīng)性較好的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，H-ADCP測(cè)流系統(tǒng)受到現(xiàn)場(chǎng)條件、系統(tǒng)安裝、河流泥沙含量、探頭擺動(dòng)等因素影響，在合理選址安裝情況下也存在一定的局限性。

蘭溪水文站位于錢(qián)塘江水系干流中游蘭江河段，站位上游集水面積18 233 km2，下游70 km處建有1座富春江水力發(fā)電廠攔江大壩，屬于受水利工程建設(shè)影響的水文測(cè)站。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目齊全，承擔(dān)水文情報(bào)預(yù)報(bào)任務(wù)，為中央報(bào)汛站，是錢(qián)塘江水系防汛防旱控制站和依據(jù)站。雖然測(cè)驗(yàn)任務(wù)繁重，但是在引進(jìn)H-ADCP系統(tǒng)前，蘭溪水文站的流量測(cè)驗(yàn)主要采用傳統(tǒng)儀器設(shè)備，如流速儀、纜道式電波流速儀、手持式電波流速儀、走航式ADCP等進(jìn)行測(cè)流，流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化程度低。為進(jìn)一步提高蘭溪水文站流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)水文測(cè)驗(yàn)的自動(dòng)化、智能化、社會(huì)化和現(xiàn)代化，于2019年引入1套H-ADCP流量在線測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)。H-ADCP在受水利工程影響的站點(diǎn)有不少應(yīng)用案例，主要集中在對(duì)系統(tǒng)成功應(yīng)用的介紹[12-13]。本文基于系統(tǒng)在蘭溪水文站的應(yīng)用數(shù)據(jù)，著重論述為蘭溪水文站流量測(cè)驗(yàn)工作帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用成果經(jīng)驗(yàn)，為同類站點(diǎn)應(yīng)用提供參考。

2 H-ADCP系統(tǒng)介紹及安裝

H-ADCP是一套以水平式聲學(xué)多普勒測(cè)流儀為核心傳感器的流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)或北斗通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸，并通過(guò)配套的流量監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)H-ADCP在線測(cè)流數(shù)據(jù)的自動(dòng)匯集和整理，率定成功后，智能輸出符合 SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求的水位月報(bào)表、流量月報(bào)表、日平均水位表及日平均流量表等多個(gè)報(bào)表。

系統(tǒng)的成功安裝調(diào)試是系統(tǒng)性能精度的保證，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多次勘查測(cè)量，根據(jù)蘭溪水文站多年水文資料進(jìn)行綜合分析，確定將H-ADCP主機(jī)探頭安裝在距河流起點(diǎn)20 m的垂線位置?？拷筋^部分會(huì)有紊流影響，對(duì)測(cè)量區(qū)間進(jìn)行取舍，舍棄距起點(diǎn)20～26 m內(nèi)的數(shù)據(jù)，確認(rèn)最終設(shè)備采集數(shù)據(jù)起點(diǎn)為26 m，并保證有效覆蓋主流位置。

3 H-ADCP測(cè)流應(yīng)用成果

3.1 關(guān)系線的確定

為保證儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，采用纜道流速儀或走航ADCP實(shí)測(cè)平均流速數(shù)據(jù)，與H-ADCP在線采集代表流速數(shù)據(jù)進(jìn)行率定分析，將H-ADCP測(cè)得的代表流速（V代表）與纜道測(cè)流所測(cè)流量計(jì)算出的平均流速（V平均）建立相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖1），并進(jìn)行相關(guān)性分析和水文整編規(guī)范要求的三線檢驗(yàn)分析（見(jiàn)表1）。

圖1 蘭溪水文站在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)率定關(guān)系圖

表1 符號(hào)、適線和偏離數(shù)值的檢驗(yàn)分析結(jié)果表

率定分析資料收集的時(shí)間段為2019年5月26日—12月26日。率定期間實(shí)測(cè)流量變幅為445～7 900 m3/s，流速變幅為0.29～2.10 m/s，水位變幅為2.92～8.40 m。率定關(guān)系圖中，高流速條件下，平均流速與代表流速有較大偏離，這是因?yàn)榛诎踩紤]，高水位洪水的比測(cè)斷面與設(shè)備安裝斷面略有偏移，故高流速比測(cè)數(shù)據(jù)存在一定偏差。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

3.2.1 數(shù)據(jù)完整性

2019年5月26日，H-ADCP正式投入蘭溪水文站流量測(cè)驗(yàn)工作中。截至2019年12月31日，通過(guò)在線軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，統(tǒng)計(jì)分析理論數(shù)據(jù)采集總數(shù)為62 208組，實(shí)際采集總數(shù)為 62 201組，數(shù)據(jù)缺失7組，數(shù)據(jù)暢通率及完整性達(dá)到99.99%。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)暢通率及完整性高，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、維護(hù)工作少。

3.2.2 水位流量數(shù)據(jù)結(jié)果

H-ADCP具有過(guò)程線統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)分析2019年5月26日—12月26日水位與流量過(guò)程線（見(jiàn)圖2），系統(tǒng)測(cè)量流量變化跟水位變化過(guò)程線高度一致，不存在數(shù)據(jù)跳變等現(xiàn)象，符合河流的水情變化規(guī)律。截取6月19—26日洪水過(guò)程進(jìn)行分析（見(jiàn)圖3），H-ADCP監(jiān)測(cè)流量過(guò)程線與水位過(guò)程線升降趨勢(shì)幾乎一致，H-ADCP能夠很好地捕捉到斷面的洪水過(guò)程，覆蓋各洪水周期。統(tǒng)計(jì)2019年6—12月水量分布變化（見(jiàn)圖4），蘭溪水文站的水量月份變化大，汛期主要集中在6—8月，降水量占比達(dá)到90%以上，流量最高月份為最低月份的近30倍。

圖2 2019年蘭溪水文站H-ADCP水位及流量變化過(guò)程線圖

圖3 蘭溪水文站2019年6月洪水過(guò)程線圖

4 應(yīng)用分析討論

4.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

H-ADCP在線工作模式為全天候無(wú)人值守監(jiān)測(cè)，有3個(gè)明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：1實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。相對(duì)于傳統(tǒng)方法的間斷性監(jiān)測(cè)，能夠保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并且覆蓋每個(gè)洪水周期，不易漏測(cè)洪水峰頂。2監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)量大大增加。根據(jù)規(guī)范要求，蘭溪水文站每年流量測(cè)次約200多次，而H-ADCP在2019年應(yīng)用的7個(gè)月中獲取的數(shù)據(jù)達(dá)到62 201組，每組數(shù)據(jù)均包括水平斷面的20個(gè)預(yù)設(shè)垂線單元數(shù)據(jù)，獲取的流量數(shù)據(jù)增加近百倍。數(shù)據(jù)通過(guò)配套的流量監(jiān)控軟件進(jìn)行處理匯總輸出相關(guān)報(bào)表，數(shù)據(jù)處理更加便利。3可監(jiān)測(cè)到更多細(xì)節(jié)變化。采集數(shù)據(jù)連續(xù)性增強(qiáng)數(shù)據(jù)量增多，使流量的轉(zhuǎn)折變化細(xì)節(jié)得到展現(xiàn)，流量數(shù)據(jù)的日變化（見(jiàn)圖5）、周變化、月變化等轉(zhuǎn)折點(diǎn)一目了然。

圖5 蘭溪水文站2019年11月流量日數(shù)據(jù)過(guò)程線圖

H-ADCP的應(yīng)用使得流量數(shù)據(jù)能夠隨時(shí)獲取，洪水達(dá)到警戒值可及時(shí)報(bào)警，有利于防汛工作開(kāi)展，同時(shí)一般洪水無(wú)需人工監(jiān)測(cè)流量，減輕水文人員的工作強(qiáng)度，便于從事其他水文服務(wù)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。

4.2 數(shù)據(jù)精度分析

由于蘭溪水文站受下游水利建設(shè)影響，斷面流量存在較大波動(dòng)，導(dǎo)致人工測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量精度存在偏差，難以形成合適的水位與流量關(guān)系曲線。傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方法需要在不同水位條件下加密監(jiān)測(cè)來(lái)保證數(shù)據(jù)符合規(guī)范精度要求。

隨意選取H-ADCP在洪水期及枯水期的一日流量數(shù)據(jù)變化（見(jiàn)圖6）可知，在洪水期或枯水期，蘭溪水文站的日流量變化規(guī)律性不明顯。在每日288組瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)中，7月和11月最大及最小流量差值分別達(dá)到452 m3/s 和261 m3/s，日流量標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為97 m3/s和66 m3/s。說(shuō)明在本站若采用傳統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)方法，由于流量日變化大，流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果可能存在誤差，為推流結(jié)果帶來(lái)偏差。

枯水期流速變化范圍為0.00～0.14 m/s，近1/2時(shí)間內(nèi)流速小于0.02 m/s，難以用轉(zhuǎn)子流速儀等設(shè)備進(jìn)行測(cè)流，H-ADCP精度最低可達(dá)0.002 m/s，滿足低流速條件下的測(cè)流需求。

H-ADCP能夠?qū)崿F(xiàn)24 h自動(dòng)、快速監(jiān)測(cè)，不僅可減少人工測(cè)驗(yàn)壓力，而且一定程度上能夠改善由于間斷監(jiān)測(cè)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)質(zhì)量降低的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，H-ADCP監(jiān)測(cè)精度符合規(guī)范，能滿足蘭溪水文站極低流速下的流量監(jiān)測(cè)需求，在應(yīng)用期間未出現(xiàn)任何故障且數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好。

4.3 水利設(shè)施影響分析

蘭溪水文站位于富春江水力發(fā)電廠攔江大壩庫(kù)尾，也是其入庫(kù)站，水利工程設(shè)施對(duì)測(cè)站的水位流量會(huì)產(chǎn)生影響[13]。隨著H-ADCP的應(yīng)用，發(fā)電廠大壩對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的影響有以下3個(gè)方面：

（1）增加流量測(cè)驗(yàn)難度。由于大壩的存在，無(wú)法得到合適的水位與流量關(guān)系曲線，僅能依靠人工測(cè)驗(yàn)來(lái)完成流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)。

（2）影響流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。根據(jù)上文的計(jì)算和分析可知，即使加大人工測(cè)驗(yàn)頻次，由于流量日變化較大，每日1次或數(shù)次流量測(cè)驗(yàn)所獲取的流量數(shù)據(jù)誤差可能較大。

（3）造成回水頂托現(xiàn)象?；厮斖惺呛樗ㄔ谧陨隙碌膫鞑ミ^(guò)程中，遇到某種障礙后向上游反射的一種水文現(xiàn)象，多出現(xiàn)在平原河道、感潮河道或有閘壩控制的河道中[14]。從H-ADCP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6）可看出，由于發(fā)電廠每日發(fā)電放水的間斷操作，斷面比降及流速均相應(yīng)產(chǎn)生變化，直接影響水位與流量的關(guān)系[15]造成回水頂托，影響時(shí)間使得流量存在較大的日變化，在流速小的枯水期，超過(guò)1/2時(shí)間流量低于50 m3/s。

圖6 蘭溪水文站洪水期及枯水期流量日變化圖

H-ADCP的應(yīng)用能夠很好地解決此3個(gè)方面的影響。首先，系統(tǒng)能夠得到滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范的率定關(guān)系線，保證數(shù)據(jù)可靠且滿足整編要求；其次，連續(xù)監(jiān)測(cè)能夠保證捕捉所有的流量變化細(xì)節(jié)，避免間斷性測(cè)驗(yàn)誤差；最后，雖然回水頂托使得斷面流速不斷變化甚至降低到流速儀監(jiān)測(cè)極限，H-ADCP仍然可以較好地監(jiān)測(cè)到流速變化。

4.4 應(yīng)用存在的問(wèn)題及改進(jìn)

H-ADCP在線測(cè)流設(shè)備安裝于水下，由于水下環(huán)境的復(fù)雜性，高含沙量、漂浮物、來(lái)往船只以及水體中魚(yú)群等會(huì)帶來(lái)信號(hào)干擾，導(dǎo)致儀器出現(xiàn)接收回波信號(hào)的偏差，反映在流速值上表現(xiàn)為異常數(shù)據(jù)，如水位跳變等。

針對(duì)蘭溪水文站復(fù)雜的水文條件，率定期間增加人工不定期檢查采集數(shù)據(jù)及波束檢查，方便評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行狀況；針對(duì)跳變等異常數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)平臺(tái)建立異常數(shù)據(jù)的處理算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，自動(dòng)剔除或平滑不合理數(shù)據(jù)，保證所得流量數(shù)據(jù) 可靠。

雖然H-ADCP在蘭溪水文站的應(yīng)用較為成功，然而在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)需要因地制宜，建議采取一站一策的應(yīng)用方式，針對(duì)不同水文站特定的水文條件，選取適用的水文設(shè)施組合。為能夠更好地完成流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)，蘭溪水文站可增設(shè)超高頻雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)等設(shè)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

在受水利工程設(shè)施影響較大的蘭溪水文站中，H-ADCP的應(yīng)用基本無(wú)影響，系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)故障，可實(shí)現(xiàn)流量全天候監(jiān)測(cè)。不僅解決攔江大壩為測(cè)站帶來(lái)的流量測(cè)驗(yàn)困難，且在保證流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量更高的基礎(chǔ)上，大大減少人工測(cè)流次數(shù)。

H-ADCP的引入，能夠保證測(cè)站人員精確掌握斷面的水流特性及控制情況，準(zhǔn)確推算出逐日流量和各項(xiàng)特征值。同時(shí)，方便了解各時(shí)期的水情變化，確定水位與流量變化過(guò)程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，更恰當(dāng)?shù)卣莆諟y(cè)流時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)流自動(dòng)化、智能化，同時(shí)方便更好地觀測(cè)站位水利工程造成的回水頂托現(xiàn)象。

在H-ADCP應(yīng)用中，存在外來(lái)干擾導(dǎo)致儀器接收回波信號(hào)偏差的情況，同時(shí)由于攔江大壩的影響，系統(tǒng)在低流速條件（小于0.29 m/s）下率定受到影響。系統(tǒng)布設(shè)需要考慮站點(diǎn)的特點(diǎn)，采取一站一策的建設(shè)方式，才能更全面、更優(yōu)質(zhì)地完成流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)。