SL500声学多普勒流速剖面仪在嵊州水文站的应用分析

李明宏，王培霞

（1.嵊州水文站，浙江 嵊州 312400；2.常山水文站，浙江 衢州 324200）

1 问题的提出

嵊州水文站 （以下简称 “嵊州站”）是曹娥江的控制站，集水面积2 280km2，1994年因上三高速建设需要，由下游1.0km处嵊县 （二）站迁建。测站附近相继有澄潭江、新昌江、长乐江、黄泽江4条支流汇入。为综合开发利用水资源，2000年，测站下游1.2km处建成了艇湖水利枢纽。受水利工程的影响，嵊州站无法利用传统的水位—流量关系推算瞬时流量，对防汛抗台和水文资料整编带来了困难。为解决这一难题，2008年初引进安装了美国SonTek公司侧视式Argonaut－SL500声学多普勒流速剖面仪，经过这些年的使用，已在防汛、水文测验、资料整编中发挥了重要作用。

2 ADCP在嵊州站的应用

2.1 仪器选择

ADCP是利用声学多普勒效应来测量流速的。目前SonTek有H－ADCP（侧视式）、V－ADCP （坐底式）、手持式、走航式等流速仪，H－ADCP（侧视式）共有3种型号：SL3000、SL1500、SL500。嵊州站下游橡皮坝蓄水时水面宽为178.0m左右，堤坝坡脚处水深为3.3m左右，断面最深处水深超过5.0m。根据河道断面特性以及仪器性能，选用了SonTek－SL500型仪器，其测量范围在1.5～120.0m；流速测量范围±6m／s，分辨率0.001m／s，准确度为测量流速的±1%；水位测量范围0.4～18.0m，准确度：±0.1%，±0.6cm；输入电源7～15VDC、功耗1.0～1.3W；4MB内置存储器，可存储50 000多个样本。实时数据采集传输选用YR3000遥测终端设备，SL5000通过R232接口与YR3000遥测终端连接，将5min间隔的流速数据直接发送到浙江省水情信息平台。

2.2 仪器安装

嵊州站位于曹娥江左岸，河道断面呈梯形，两岸采用块石和混凝土护坡，坡面比较平整。仪器安装在斜拉式行车上，在坡面上固定滑道，滑道上方安装压板，防止行车脱轨。根据该站断面资料以及水位变幅情况，确定仪器安装在离坡脚1.0m高程以上，接近常水位，相对水深0.6m左右的位置上，并在滑道底部安装固定挡板，防止行车下滑。由于曹娥江上游为山区性河流，洪水时水草、树枝、塑料袋等漂浮物较多，所以行车采用钢丝绳上下牵引，便于仪器日常维护和清理水草青苔等杂物，并在整个滑道外围浇筑混凝土保护箱，上方安装不锈钢门，保证滑道不受漂浮物影响，能上下牵引行车，并防止人为破坏设备。嵊州站斜拉式多普勒安装示意见图1。

图1 嵊州站斜拉式多普勒安装示意图

全套安装附件全部采用304不锈钢材料制作，防止腐蚀。为保证ADCP主机连续正常运行，设备采用蓄电池供电，外接太阳能电源对蓄电池充电。为防止主机受感应雷影响，在太阳能电源与蓄电池之间安装了防浪涌避雷器。

2.3 断面平均流速计算

受测验河段测速条件以及仪器测量范围影响，嵊州站ADCP流速剖面仪只测量了起点距35～85m断面的平均流速，并不能代表整个断面的平均流速，需要测算该断面平均流速与整个断面平均流速之间的流速系数。根据该站45次转子流速仪测算得到的断面平均流速与各测次相应时间岸边侧视式ADCP测到的实测数据，利用Excel计算线性回归曲线，确定断面平均流速的计算公式为：y＝0.901 1x，式中：y为断面平均流速 （m／s）；x为ADCP实测部分平均流速 （m／s），0.9011为流速系数，拟合优度R2＝0.998 5，接近于1.000 0，回归曲线关系可靠性较高 （见图2）。

图2 嵊州站多普勒线性回归曲线图

多普勒流速线性回归曲线按照SL 247—2012《水文资料整编规范》的要求，进行符号检验、适线检验和偏离数值检验，标准差为5.3%，随机不确定度为10.6%，系统误差为1.0%，检验结果满足 《水文资料整编规范》定线指标的精度要求。随机不确定度指标受低流速时风浪等各种因素影响，略微偏大，对45个样本进行了回归曲线检验（其中正号个数为23个，符号交换次数为29次），检验成果见表1。

表1 嵊州站多普勒流速线性回归曲线检验成果表

2.4 ADCP在嵊州站的比测及使用情况

嵊州站迁建已经20多年，期间实测最大水位变幅为5.2m，出现在1997年8月19日。SL 500 （ADCP）安装后，与转子流速仪比测的水位变幅为3.9m，占迁站后水位变幅的75%。

受SL 500（ADCP）仪器测量范围及安装位置限制，在上游来水量小、下游艇湖枢纽橡皮坝蓄水过程中，流速偏小，甚至出现负值，仪器测量的流速一般不宜采用，但蓄水时间不长，对嵊州站年径流量推算影响不大。嵊州站多年平均径流系数为0.50，2010—2014年径流系数分别为0.48，0.45，0.50，0.42，0.55，接近多年平均值，符合测站和流域特性。

ADCP在畅流期使用精度较高，特别是在洪水期，真正显示了仪器的优越性。嵊州站2014年8月ADCP测算的流量与流速仪测量的日平均流量平均相对误差为6.3%，2套设备测得的流量过程比较吻合。2014年嵊州站年最大流量过程ADCP测算流量与转子流速仪测量过程线对比见图3。

图3 嵊州站ADCP测算流量与流速仪流量过程对比图

3 在实际应用中需要探讨的几个问题

ADCP多普勒流速剖面仪虽然提供了先进的流量测验方案，但在仪器选型、安装、使用中必须注意各个环节才能发挥仪器的优越性。

（1）在采购仪器时应根据河道的宽度、水深、断面形状等特性，选择符合测验河段的型式。当河道水深能满足仪器测量要求时，可以选择侧视式H－ADCP。当水深较浅，断面比较稳定，无明显冲淤影响的河道，可以选用坐底式V－ADCP。选择好仪器型式后还应根据测量范围选择合适的型号。

（2）仪器安装时在考虑安装牢固的情况下，做好仪器的保护装置，便于管理维护。侧视式H－ADCP在选择安装深度时，要了解测验地点的最低水位、水位变幅以及河床情况，通常安装在稍高于最低水位与河底之间的中间位置。仪器探头方向应与水流方向垂直，并保持水平。安装后应将位置固定，不宜经常改变，保证率定后的断面平均流速计算公式稳定。仪器安装时还要考虑设备供电以及防雷设施，如果采用蓄电池供电，在电池上安装电压表，随时观察蓄电池电压情况。

（3）断面平均流速计算公式率定，应有30次以上分布在各级流速的转子流速仪或走航式多普勒实测资料，与对应的H－ADCP实测部分平均流速建立关系，利用Excel进行线性回归分析。低流速时受风浪影响较大，应选择风浪影响小且有代表性的测次。断面平均流速计算公式率定后，每年应选用新的实测点子对流速系数进行验算。

（4）H－ADCP多普勒流速剖面仪提供的是部分流层的断面平均流速，不能直接测量断面流量，必需经过流速系数换算成断面平均流速，再借用大断面资料才能推算出断面流量：Q＝AV，式中：Q为断面流量 （m3／s），A为断面面积 （m2），V为断面平均流速 （m／s）。所以在断面发生变化时，要及时测量水道断面，计算断面面积，以减少因断面面积变化所带来的流量误差。 （5）当流速小于0.01m／s时，ADCP多普勒流速剖面仪测流存在流速误差较大的问题，特别是在水道断面面积大、流速小、风速大的测量条件下，表层水流受风力影响，ADCP测量的流速和实际的流速不相符，所以在仪器安装和设置仪器采样单元结束 （CellEnd）参数时，要考虑采样单元结束时仪器发射波的最高位置和水流表面的距离，尽量减少风速对流速产生的影响。

4 结 语

ADCP声学多普勒流速剖面仪的应用，既解决了嵊州站受水利工程影响，利用传统的水位—流量关系推算日平均流量，在水文资料整编中困难的实际问题，又能通过软件处理实时、在线地监测流速 （流量）信息，为防汛抗旱决策提供科学依据，还大大减轻了转子流速仪流量测验方案带来的工作强度，为推进水文数字化建设奠定了基础。

［1］水利部水文局.SL 337—2006声学多普勒流量测验规范 ［S］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］水利部水文局.SL 247—2012水文资料整编规范 ［S］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［3］陈锡林.Argonaut－SL声学多普勒流量实时监测系统设计应用与研究 ［J］.水利水电快报，2003（增刊）：1－9.

［4］张裕海.声学多普勒流速仪在浙江水文中的应用 ［J］.水文，2010 （1）：51－55.