H-ADCP在跨界河流水量监控上的应用

史向前

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

1 应用背景

1.1 跨界河流水资源问题复杂敏感

我国陆上有15个邻国，陆地国界总长约1.8万km，其间广泛分布着众多的国际河流，水资源丰富，初步估计出入境水量达7500余亿m3。国际河流在我国境内的管理是我国水资源管理的重要方面，开发利用国际河流对稳定周边关系、维护国家权益、保障国家安全及发展边疆经济具有重大意义。

由于全球性的水资源短缺问题蔓延[1- 2]，使得跨界河流水资源的开发、利用、保护与管理日益受到相关国家的高度重视，并已上升为一个敏感的政治问题，成为在处理与周边国家外交关系时需要慎重对待的一个因素。我国大多地处国际河流的上游区，对国际河流的开发会直接影响到下游相关国家的利益。围绕着国际河流开发利用问题[3]，我国与周边有关的下游国如哈萨克斯坦、越南、印度以及湄公河委员会成员国等进行了一系列的磋商与谈判，与俄罗斯、朝鲜、孟加拉国的水文报汛和资料交换工作一直在进行，与蒙古共和国之间的边界水联合委员会工作会议也在定期举行。在目前的谈判与磋商中，大部分问题都是围绕水文领域展开的。跨界河流的水文报汛、水文资料交换、水文业务交流与合作已成为我国同周边国家水资源合作的重要内容，为维护国家利益和促进睦邻友好做出了积极贡献。

为及时应对跨界河流所面临的问题，增强在跨界河流双边和多边谈判中的主动性，2001年水利部水文局组织编制完成了《国际河流水文站网建设规划》。依据规划，对跨界河流进行一至三期的水文站网建设，完善跨界河流水文站网布局，提高跨界河流水文监测能力，有效地掌握监控水量变化，增强水文测报信息的时效性和准确性。

1.2 传统水文作业方式不适合跨界河流水量监控

建设初期，由于跨界河流水文设施无法建设，许多流量测验方法受到了限制，跨界河流水文站流量测验方式基本上都是船测。机动测船装配船控测流系统，悬吊测流仪多线定点施测[4- 5]。由于外方对我国界河水文站正常作业及测验维护等工作的干扰，致使流量测验等工作不能正常进行，个别站点冬季测验工作也无法开展，使我方测验工作存在很大的安全隐患。急需利用现有先进的技术装备，改进传统水文测验方式、以保证我方水文测验工作的正常开展以及作业安全。

1.3 现代化水量监控技术设备日渐成熟

近年来，国内外水文信息采集技术有了长足发展，自动化水平大幅度提高。许多性能稳定、可靠、精度较高的降水量、水位自动采集设备在国内外都得到了推广应用，如浮子式水位计、雷达式水位计以及气泡式水位计等都已在水文遥测系统中普遍使用；非接触式雷达测流仪、声学多普勒剖面仪(ADCP)、电波流速仪等流量测验设备也已在国内外逐步得到推广。水文数据采集远传终端(RTU)的研制成功亦为降水量、水位信息的自动采集、储存与传输提供了技术支撑[6- 7]。

2 H-ADCP概述

2.1 监控原理

H-ADCP即多普勒H-ADCP在线流量监测系统，根据超声波测速换能器在水中向垂直于流向的水平方向发射固定频率的超声波，然后分时接受回波信号，解算多普勒频移来计算水平方向一定距离内多达128个单元的流速，测量的某一层流速作为指标流速，将所测指标流速与断面平均流速建立相应关系，再用水位算出过水面积，即可得到瞬时流量[8]。基本原理如下。

断面流量等于断面面积乘以断面平均流速，即：

Q=A·V

(1)

断面面积通常可表示为水位的函数，即：

A=f(Z)

(2)

断面平均流速可表示为某一指标流速的函数，即：

V=f(Vn)

(3)

式中，Q—断面流量；A—断面面积；V—断面平均流速；Z—水位或水深；Vn—指标流速。

2.2 数据采集传输

H-ADCP流量在线监测系统通过数据采集终端(RTU)采集流速、流量、水位、工况等数据；系统工作体制为平安报、自报(段制需要设定)、加报(需要设定增量)和查询应答(召测)工作方式；RTU支持远程下载数据、远程参数设置、远程时钟校准；RTU每天0时自动校时，系统时间统一以服务器时钟为准。

数据传输方式有4种：第一种，通过数传电台将数据传输到本地水文站，使测站管理、操作人员能及时看到现场数据；第二种，通过GPRS传送至数据中心服务器，信息中心将数据存储、分析并输出、发布；第三种，当GPRS出现故障无法传输数据时，自动启用北斗卫星终端(备用通道)将数据及时传输到数据中心；第四种，可以直接接到光纤网络(局域网)传输至本地水文站和数据中心。H-ADCP流量在线监测系统如图1所示。

3 应用示例

3.1 监控断面勘选

鸭绿江在辽宁省区段为我国和朝鲜的界河，发源于长白山天池南麓，自北向南流经吉林省长白镇后折向西流，抵临江镇后转向西南，过云峰、渭源、水丰水电站后流经丹东市，最后注入黄海，总河长816km，河源至中朝国境线70.3km。鸭绿江在我国一侧内流域面积为3.2万km2，在辽宁境内的流域面积为11670km2，河长度241km。流域内高山群立，水系发达，植被良好。主要支流有：浑江、爱河、蒲石河、大沙河等。

监控断面位于鸭绿江流域下游，河段顺直，水流稳定。右岸上游1500m处有安平河汇入，上游41.3km处有水丰电站一座，上游12.3km处有太平湾电站一座。受水库调节影响，水位变化较大。河段左岸地势平缓，右岸坡度陡峭。河床底质以砂卵石为主，断面比较稳定。平水期断面平均水深在3m左右，洪水期水位变幅3～4m。监控断面河底地形情况如图2所示。其下垫面条件、水深条件、地形地势非常适合H-ADCP建设安装。

图1 H-ADCP流量在线监测系统结构

图2 监控断面河底地形

3.2 H-ADCP安装调试

H-ADCP监测平台设置在监控断面右岸，换能器固定在距起点33.2m、高程8.60m处，同时能够满足低水位监测需要，通过有线电缆连接，采集数据传输到专用计算机中，进行控制与监视。经过现场调整，仪器表面水平指向对岸，且与水流方向垂直，仪器倾斜传感器测量的纵、横摇角度在软件监视下调整，确保在1°以内[9-11]。目前H-ADCP的工作方式是连续测量，采样时间间隔5min，收集的原始数据量较大，同时流速过程受到各种因素影响表现出波动性强的特点。仪器安装配置专门的行车滑道，使H-ADCP上下行走定位，并能实现在水下制动。安装位置的基本原则是通过雷达水位计监测水位，PLC接收水位数据，计算水深，根据水深自动控制ADCP的升降，使H-ADCP处于相对水深0.6的位置，波束水平发射，既不出水面也不打到水底，保证大多数水情下的流量测验。安装示意图如图3所示。

3.3 系数率定

根据H-ADCP的监控原理，欲得断面流量需建立H-ADCP实测的指标流速与断面平均流速的相应关系，即所说的系数率定。实际工作中，按水位变幅采用流速仪法实测全断面流量后，计算出相应水位的断面平均流速，同时用H-ADCP实测出指标流速，二者建立相关关系。由于监控断面历年水位流量关系稳定，可不用实测直接应用每个水位级的断面平均流速，余下工作就是收集H-ADCP随机水位级的实测指标流速[12- 13]。

3.3.1H-ADCP指标流速收集与处理

指标流速数据采用2019年6月1日—10月31日之间收集的实测数据，由于每5min采集一次数据，4个月总计有3万多条数据，数据量比较大。数据量的增大在提高水文资料质量的同时也增加了资料整理的难度。可采用精简分析法，从大量的水文测验数据中选出较少的测次来表达水文要素的变化过程，达到减少数据处理量，提高工作效率的目的。一般采用计算机摘录的方法对资料进行精简处理。H-ADCP所测得的水文资料时间系列是不平稳的，呈现各种各样的特性，在资料整编前需要对其进行平滑处理[14- 15]。一般采用小波分析法和均值法等，本次采用均值法进行处理。

3.3.2建立指标流速与断面平均流速相关关系

数据经过初步处理以后，整理出H-ADCP指标流速与断面平均流速成果，通过绘制相关图，得出断面平均流速与指标流速的关系为y=0.729x+0.249，R2=0.987，为线性关系，拟合度较高。二者相关图如图4所示。

图3 H-ADCP测流系统安装示意图

图4 H-ADCP指标流速与断面平均流速相关

4 结论与建议

(1)H-ADCP的应用能及时测出河流流量等数据，同时减轻了值守人员的测验工作量，特别是针对受水利工程影响的监控断面，在提高数据精度方面有较大的优势。在日常测验工作中要加强H-ADCP运行状态的检查和巡视，及时发现故障并予以排除，确保H-ADCP所测数据的质量和完整性。

(2)根据监控断面情况、河流特性、水位变幅等测验条件，合理确定H-ADCP安装位置、配置参数和比测方案，提高仪器的测验性能和工作效率。当发生枯水或高洪等超出H-ADCP测验范围时，应做好补测工作。

(3)H-ADCP资料整编时，由于数据较多，同时流量成果比较散乱，在数据处理时需要采用合理的处理方法，同时应结合测流情况使用多种整编方案，综合运用、互为补充，细化数据误差分析，提高整编成果质量。