閘控感潮河網(wǎng)?H-ADCP?測(cè)流系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

袁福懷，林勁松

（1.中順大圍工程管理處，廣東 中山 528400；2.廣州易馬克自動(dòng)化科技有限公司，廣東 廣州 510600）

0 引言

國(guó)內(nèi) H-ADCP 在線測(cè)流系統(tǒng)在珠三角地區(qū)分布較多[1-2]，而閘控感潮河網(wǎng)的在線測(cè)流應(yīng)用并不常見(jiàn)。閘控感潮河網(wǎng)地區(qū)河流流態(tài)受群閘啟閉調(diào)度控制，流態(tài)不穩(wěn)，流向紊亂，而經(jīng)驗(yàn)調(diào)度習(xí)慣依靠水位指導(dǎo)工程啟閉，可控性差，調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)大，為避免調(diào)度不當(dāng)引起潮水漫堤導(dǎo)致局部?jī)?nèi)澇，調(diào)度決策者常常通過(guò)降低河網(wǎng)運(yùn)行水位來(lái)避免次生災(zāi)害，致使河網(wǎng)水動(dòng)力差，水體循環(huán)無(wú)序且不暢，水環(huán)境不斷惡化。如何使工程調(diào)度的決策更加科學(xué)，手段更加先進(jìn)，中順大圍工程調(diào)度系統(tǒng)中提出在閘控感潮河網(wǎng)地區(qū)建設(shè) H-ADCP 在線測(cè)流系統(tǒng)，以期獲取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)流量信息，為水量平衡調(diào)度模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

中順大圍工程調(diào)度系統(tǒng)于 2011年10月引進(jìn)了 Flow Scout600kHz 型聲學(xué)多普勒流速剖面儀（以下簡(jiǎn)稱流量?jī)x）并安裝使用，建設(shè)了中順大圍H-ADCP 測(cè)流系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）。流量?jī)x測(cè)量流速采用單聲路，示意圖如圖1所示。

圖1 單聲路多點(diǎn)流速剖面儀示意圖

流速儀安裝在水下某一層面，工作時(shí)傳感器發(fā)射聲波，準(zhǔn)確測(cè)量出該層面從左到右不同距離上，幾百個(gè)流速點(diǎn)數(shù)據(jù)；再由現(xiàn)場(chǎng)流速流量積算儀依據(jù)流速點(diǎn)數(shù)據(jù)、河道斷面、水力學(xué)流量計(jì)算模型算出河道瞬時(shí)流量。特點(diǎn)是造價(jià)較低，配置靈活，適合100m 以下寬度的河道測(cè)量，但精度較低。測(cè)量示意圖如圖2所示。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 河網(wǎng)概況

圖2 單聲路多點(diǎn)流速測(cè)量示意圖

中順大圍位于廣東省中山市岐江河流域，屬珠江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，中順大圍堤防工程分東西2條干堤，與南部五桂山區(qū)構(gòu)成1個(gè)790km2的三角形防洪工程，沿堤近50座水閘控制著內(nèi)部上百條縱橫交錯(cuò)的河網(wǎng)流態(tài)，形成了封閉的流域范圍——岐江河流域，岐江河干流位于中順大圍南部，西接磨刀門水道，東連橫門水道，總長(zhǎng) 39.5km，平均寬度100m，是一條人工運(yùn)河，穿越中山市主城區(qū)。中順大圍東、西河水閘分別位于岐江河?xùn)|西兩端，是岐江河水量調(diào)度的主要工程，系大型水閘，設(shè)計(jì)流量1050m3/s，各10孔閘門，總凈寬150m。中順大圍北部群閘引水先匯入平均寬約150m 的類似內(nèi)陸湖的橫琴海，后經(jīng)約50m 寬的人工河——中部排水渠下泄，與赤洲河匯接后經(jīng)獅滘河入岐江河。

1.2 站點(diǎn)選址

系統(tǒng)站點(diǎn)布設(shè)充分考慮引水、匯水量及空間位置，由4個(gè)固定站點(diǎn)和1個(gè)移動(dòng)站點(diǎn)組成。固定站包括東河、西河、岐江河和太平4個(gè)站，東、西河站分別位于東和西河大型水閘閘內(nèi)河段，岐江河站設(shè)在獅滘河與岐江河匯流口下游，太平站位于上游匯流區(qū)入中部排水渠首端。固定站點(diǎn)均位于中順大圍圍內(nèi)閘控河段，站點(diǎn)分布如圖3所示。固定站長(zhǎng)期在線，可實(shí)時(shí)獲取不同工程運(yùn)行調(diào)度模型下各站點(diǎn)的實(shí)時(shí)流量，通過(guò)后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，得到不同調(diào)度模型下的引排水量，為模型修正和優(yōu)化提供支持。移動(dòng)站主要為泵站排水流量測(cè)驗(yàn)、其他主要水閘引排水流量率定、主要河段交叉處分流比測(cè)等服務(wù)。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由前端采集、通訊傳輸、電源保障、數(shù)據(jù)處理等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3.1 前端采集系統(tǒng)

圖3 中順大圍測(cè)流站點(diǎn)分布圖

前端采集系統(tǒng)主要由4個(gè)固定站和1個(gè)移動(dòng)站組成。固定站主要滿足長(zhǎng)期在線測(cè)流需要，在環(huán)境安全、流態(tài)平穩(wěn)的地點(diǎn)選址安裝站井設(shè)施， 配置測(cè)流設(shè)備，主要由流速剖面儀、流量數(shù)據(jù)處理儀、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊（GPRS DTU）、直流供電系統(tǒng)（12V蓄電池組 +220V 變壓器）、浮子式水位編碼器等組成。流動(dòng)站主要滿足流動(dòng)測(cè)流需要，測(cè)驗(yàn)不同潮型和調(diào)度模型下的關(guān)鍵河網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的水位流量關(guān)系，以及其他中小型水閘引水、排水的水位流量關(guān)系。流動(dòng)站設(shè)備主要包括流速剖面儀、電子羅盤、流量數(shù)據(jù)處理儀、壓力式水位計(jì)、筆記本電腦及剖面儀固定導(dǎo)軌等設(shè)施。

1.3.2 通訊傳輸系統(tǒng)

通訊傳輸通過(guò) GPRS 專網(wǎng)完成，中順大圍水文遙測(cè)系統(tǒng)已組建中順大圍 GPRS 專網(wǎng)，主要提供中順大圍水文遙測(cè)系統(tǒng)水位、雨量、流量信息采集傳輸和無(wú)線移動(dòng)水情發(fā)布終端的信息接收等服務(wù)。

圖4 中順大圍測(cè)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.3 數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)

負(fù)責(zé)固定站測(cè)流系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)的接收、處理和流量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理，配置在中順大圍水文遙測(cè)中心站流量數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要功能包括定時(shí)接收固定站采集系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)；根據(jù)率定關(guān)系計(jì)算流速和流量；定時(shí)存儲(chǔ)輸出經(jīng)過(guò)率定的流量、流速數(shù)據(jù)流到數(shù)據(jù)交換服務(wù)器，供應(yīng)用系統(tǒng)使用；更改斷面、儀器、率定關(guān)系等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

2 測(cè)流率定

通過(guò)測(cè)流率定獲取各固定站指標(biāo)流速與真實(shí)斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理獲取各站點(diǎn)經(jīng)修正后的流速流量數(shù)據(jù)。

2.1 比測(cè)設(shè)備與方法

2.1.1 比測(cè)設(shè)備

比測(cè)工作由水文專業(yè)機(jī)構(gòu)承擔(dān)，選用走航式聲學(xué)多普勒水流剖面儀作為率定設(shè)備。

2.1.2 比測(cè)方法

考慮到閘控感潮河段特殊的水文特征，制定了不同潮型周期、工程運(yùn)行狀態(tài)下的比測(cè)周期和方法。選擇10個(gè)以上自然潮型潮周期的漲、平、退潮等不同潮型進(jìn)行比測(cè)，其中包含當(dāng)月初一、十五的天文大潮，以獲取在開(kāi)閘引、排水，關(guān)閘控制水位等不同運(yùn)行狀態(tài)下的比測(cè)結(jié)果，累計(jì)不少于30個(gè)測(cè)回，且測(cè)回間隔均勻分布。保證在比測(cè)期間，在線 H-ADCP測(cè)流設(shè)備不間斷運(yùn)行，獲取可靠的流量?jī)x斷面流速數(shù)據(jù)；后期率定時(shí)，選擇主槽部分對(duì)應(yīng)區(qū)域的連續(xù)單元作為指標(biāo)流速單元，這樣與走航式（M9）聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量提供的斷面平均流速的相關(guān)性較好。測(cè)驗(yàn)時(shí)測(cè)船航速控制在 1.0～3.0m/s，按水位漲落變化布設(shè)測(cè)驗(yàn)，每 0.5h 沿儀器斷面往返走測(cè)1個(gè)來(lái)回，記為1個(gè)測(cè)回，起始及終了位置用目測(cè)定位。若往返流量誤差在 ±5% 以內(nèi)，取平均值作為該次斷面流量，再除以相應(yīng)的過(guò)水面積，得到斷面平均流速；若超過(guò) ±5%，則增加1個(gè)測(cè)回，判斷流量是否在短時(shí)間內(nèi)變化較大，并根據(jù)實(shí)際情況，將測(cè)船船速控制在水流平均流速的 2～3倍；測(cè)船航跡盡量保持與斷面一致。

2.2 率定結(jié)果

通過(guò)比測(cè)，西河站收集了47個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；太平站收集了54個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；東河站收集了56個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；岐江河站收集了47個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。用收集到的斷面平均流速與指標(biāo)平均流速建立單～斷流速關(guān)系曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)定線，分別得到4個(gè)站的單～斷流速關(guān)系，流速變化范圍均勻分布在不同的流速級(jí)，滿足率定要求，站點(diǎn)均通過(guò) T 檢驗(yàn)。具體結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)流站點(diǎn)率定檢驗(yàn)結(jié)果表

從率定結(jié)果分析來(lái)看，率定的單～斷流速關(guān)系相關(guān)系數(shù)均為 0.99，通過(guò)三線檢驗(yàn)，系統(tǒng)誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，定線精度基本符合 SL337-2006《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

在閘控感潮河網(wǎng)地區(qū)構(gòu)建在線測(cè)流系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)可供借鑒的成套經(jīng)驗(yàn)，在中順大圍建設(shè)H-ADCP 在線測(cè)流系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程分析如下：

1）設(shè)備選型。目前專業(yè)測(cè)流水文站點(diǎn)，多選用雙聲路或多聲路超聲波流速剖面儀，造價(jià)高，站點(diǎn)選址、安裝精度、測(cè)流率定、維護(hù)保養(yǎng)要求相對(duì)較高，運(yùn)行成本大，但相對(duì)于測(cè)流精度要求較低。不用于水文整編的在線測(cè)流系統(tǒng)，選擇單聲路超聲波剖面儀設(shè)備，具有造價(jià)低，配置相對(duì)靈活，選址安裝便利等特點(diǎn)；且利用設(shè)備提供的水平旋轉(zhuǎn)角和垂直俯仰角設(shè)置可更好地適應(yīng)感潮河段潮差的影響，讓設(shè)備處在最低運(yùn)行水位下，通過(guò)仰視 1～2°獲取沿?cái)嗝鎸?duì)角線代表的不同水深剖面速。

2）站點(diǎn)選址。將河段平直、表面流態(tài)穩(wěn)定，岸邊容易固定站井的區(qū)域確定為站址待選區(qū)域河段，再用流動(dòng)站在待選區(qū)域進(jìn)行測(cè)流試驗(yàn)。通過(guò)一段時(shí)間試驗(yàn)后對(duì)獲取的斷面流速數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析，精確選擇斷面流速穩(wěn)定，有效數(shù)據(jù)區(qū)間長(zhǎng)，取數(shù)多，差錯(cuò)少的位置為固定站位置。

3）設(shè)備安裝。充分利用設(shè)備提供的可調(diào)節(jié)水平夾角A和俯仰夾角α特性，精確獲取安裝后的剖面儀探頭與河段垂直斷面的水平夾角A（20～30°）和俯仰角α（1～2°），配置在站點(diǎn)流量數(shù)據(jù)處理儀上，夾角示意圖如圖5所示。單聲路流速儀的測(cè)速原理就是利用剖面線與垂直斷面的夾角獲取單點(diǎn)流速的，原理類似于公路邊車輛測(cè)速。水平夾角是設(shè)備獲取剖面流速的必需參數(shù)，對(duì)于水平角調(diào)節(jié)，河道寬，夾角可以小些；河道窄，夾角要大。俯仰角的調(diào)節(jié)主要考慮感潮河段潮起潮落水位的變化，如果流速儀安裝深度和俯仰角設(shè)置不合理，將影響測(cè)流數(shù)據(jù)的正常獲取，在安裝條件好，不易淤積的站址，站井盡量安置在水底，流速儀盡量安裝在最低水位下，通過(guò)適度的探頭仰角可以獲取斷面對(duì)角線剖面流速，此流速代表了不同水深層下的流速，東河、西河站就采取這種安裝方式。如果安裝條件不好，岸邊水淺，也一定要將剖面儀安裝在常年最低水位以下，避免探頭外露無(wú)法獲取流速數(shù)據(jù)，此時(shí)可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)俯角獲取斷面對(duì)角線剖面流速。俯仰角大小的調(diào)節(jié)與河流斷面寬度有關(guān)，如果斷面窄，則俯仰角大；斷面寬，則俯仰角小。

圖5 單聲路多點(diǎn)流速剖面儀水平、垂直夾角示意圖

4）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要依靠流量處理軟件實(shí)現(xiàn)，軟件具備站點(diǎn)參數(shù)設(shè)定、斷面設(shè)定、數(shù)據(jù)提取、粗差剔除、率定關(guān)系設(shè)定、流量計(jì)算等功能，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)各站點(diǎn)斷面流速數(shù)據(jù)的觀察和分析，界定各站點(diǎn)有效取數(shù)的范圍和原則，以獲取穩(wěn)定、可靠的斷面流速數(shù)據(jù)參加流量計(jì)算，包括定點(diǎn)、整點(diǎn)、正負(fù)等流量計(jì)算，以及系統(tǒng)站點(diǎn)時(shí)間序列流量數(shù)據(jù)庫(kù)管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于測(cè)流系統(tǒng)服務(wù)于中順大圍工程調(diào)度系統(tǒng)，因此在數(shù)據(jù)處理軟件里對(duì)各站點(diǎn)的正負(fù)流量進(jìn)行了約定，規(guī)定進(jìn)入水閘的水量為正流量，排出水閘的水量為負(fù)流量；自西而東，由北向南的為正流量，反之為負(fù)流量。

4 結(jié)語(yǔ)

以 Flow Scout600kHz 型單聲路聲學(xué)多普勒流速剖面儀組成的在線測(cè)流系統(tǒng)，在閘泵和水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，具有運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，維護(hù)方便等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)1a 來(lái)群閘調(diào)度實(shí)踐過(guò)程中測(cè)流數(shù)據(jù)的分析，得到了初步成果，包括不同調(diào)度模型下，岐江河站點(diǎn)流量變化規(guī)律，不同潮型引、排水流量變化情況，北部弱感潮河段匯水變化特點(diǎn)等。進(jìn)一步在水動(dòng)力模型演算中的應(yīng)用將在下一步工作中展開(kāi)。

[1] 李志敏.H-ADCP 在線測(cè)流系統(tǒng)在思賢滘的應(yīng)用研究[J].廣東水利水電，2006（5）: 14-15,18.

[2] 鐘永，費(fèi)凱. ADCP 在潮流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用與分析[J].水利水文自動(dòng)化，2004（4）: 35-39.