水平式ADCP在罗定江罗定古榄水文站的应用研究

莫钧雯

(广东省水文局肇庆水文分局， 广东 肇庆 526060)

1 测站概况

1.1 基本概况

罗定古榄站设于罗定江中上游，建于1958年5月，位于罗定市连州镇古榄村，是罗定江的区域代表站，断面以上集雨面积为936 km2，至河口距离为129 km。该站为搜集水文资料，水文情报预报而设，属国家二类精度水文站，主要测验任务有水位、流量、降雨量、蒸发量观测等。

1.2 测验断面

罗定古榄站测验河段比较顺直，长约为370 m，河宽约为50 m，河床为沙石组成，断面基本规则、稳定，无漫滩现象。断面上游约200 m处为一急弯，下游约170 m处是峡口，水流开始扩散，主流集中偏于右岸，两岸为岩石、粘土，不易冲刷。断面上游约8 km处有新榕电站，下游约70 m处有拱桥(古榄桥)，两岸无民船停泊，断面上下游两公里内无较大的支流加入。低水测验受上游电站蓄、放水影响较大。

1.3 水文特征

罗定古榄站多年平均水位为4.30 m，历史最高水位为1972年11月的12.03 m，流量为1 860 m3/s，流速为4.93 m/s；历史最低水位为2012年4月为3.33 m，实测最小流量为1971年3月的0.46 m3/s(罗定古榄水文站水位高程使用冻结基面，该站基面关系式：冻结基面以上米数+52.594 m=珠江基面以上米数)。

2 比测试验

2.1 比测目的和方法

根据《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)[1]和《声学多普勒流量测验规范》(SL 337—2006)[2]，通过HADCP与转子式流速仪的53组同步流量测验比较，率定仪器相关使用参数取得试验数据，并通过比较分析，确定HADCP是否适用于罗定古榄水文站的测验环境以及验证HADCP在替代传统流速仪测流的可行性和优越性，解决常规流速仪测流耗时长以及劳动强度大的问题。

以HADCP施测的指标流速V指标与缆道所测流量计算出的断面平均流速V平均建立相关关系，再根据相关关系计算出关系线上的查线流速V查线，即率定得到V查线=f(V指标)关系式。为了使HADCP与缆道测流率定资料时间同步，指标流速选取了与缆道测流平均时间最接近的HADCP所测的数据参与率定分析。

2.2 HADCP工作原理

HADCP测流传感器是根据声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低的多普勒频移原理测量水体流速的，每个换能器既是发射器又是接收器。每个换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物(如泥沙、气泡等漂浮物)散射回来的声波。假定水体中颗粒物与水体流速相同，当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率低，发射频率与回波频率存在差值，差值确定：

fd=2fδ(v/c)

(1)

式中fd为声学多普勒频移，kHz；fδ为回波频率,kHz；v为颗粒物沿声束方向的移动速度,m/s；c为声波在水中的传播速度,m/s。

2.3 仪器安装位置

遵循仪器选址原则，结合罗定古榄站实际地形、流态等情况，选择将HADCP安装在左岸位于基本测流断面上游15 m，起点距23.0 m处，(以流速仪测流断面零桩起算，HADCP安装位置示意见图1)，并设立防控区，安装高程为1.91 m。

罗定古榄水文站历年大断面见图2。

图1 HADCP安装位置示意

图2 罗定古榄水文站历年大断面示意

2.4 仪器参数设置

通过仪器试安装调试的回波强度变化分析(如图3所示)，初设的主要参数是：代表流速采样在1～24个单元格范围内，采集区间在起点距18～52.5 m，采样历时为120 s，采样间隔为600 s，盲区为 0.4 m。洪水期间，流速较大，受水流冲击，探头纵摇(以Y为轴旋转)为-1.0°～0.2°，横摇(以X为轴旋转)为-0.5°～1.0°，探头方位角为126.2°。

图3 HADCP流量监测网页截取单元流速分布示意

3 HADCP比测率定分析

3.1 流速率定关系

本次率定分析资料的时间段为2019年1月19日—12月31日，共收集了53份率定分析资料，满足《河流流量测验规范》[1]中不少于30个数据点的要求。实测流量变幅为3.49～691m3/s，流速变幅为0.19～2.54 m/s，水位变幅3.39～7.29 m，比测情况见表1。

表1 流速仪与HADCP比测情况

根据表1比测数据，HADCP的指标流速和断面平均流速的关系如图4所示，呈明显的线性关系，建立相关公式为：

V平均=0.066 4V指标2+0.7542V指标-0.002 6

图4 罗定古榄水文站指标流速与断面平均流速关系线示意

根据《河流流量测验规范》[1]要求，对上述回归方程进行定线精度分析与关系曲线检验。由于第一次建立的关系曲线不符合《水文资料整编规范》(SL 247—2012)[4]的要求，且发现流速小于0.1 m/s的测点存在相对较大的误差，经分析这些测点为人为误差或受上游电站影响，因此，在进行三线检验时，V平均<0.10 m/s的较低水测点数据不参加统计(见表2)。

表2 指标流速与断面平均流速关系曲线检验计算

参考《声学多普勒流量测验规范》[2](征求意见稿)6.7.6，检验分析结果如下：关系线测点标准差Se=8.2%，随机误差为16.4%<18%，达到规范规定的精度要求；系统误差为-0.72%≤±2%，达到规范规定的精度要求。检验计算：

① 符号检验：n=44 ，K=18 (K为正号个数)，u=1.06<1.15，认为合理，符号检验通过。

② 适线检验：n=44 ，不变换符号“0”次数为 11，变换符号“1”次数为 32，变换符号次数大于不变换符号次数，免作适线检验。

③ 偏离数值检验：n=44 ，平均相对偏离值ΔP=-0.74%，P的标准差S=8.08，ΔP的标准差Sp=1.22，统计量t=-0.61，|t|=0.61<1.30，认为合理，偏离数值检验通过。

结果：上述3种方法对水位流量关系曲线的检验，均达到规范要求，认为定线正确。

3.2 流量精度对比分析

通过选取完整的洪水过程流量进行验证分析，分别采用罗定古榄站常规的临时曲线法与HADCP相应流速级关系推求的日平均流量进行比较分析，以常规法推求的日平均流量为准。由于2019年为偏枯年份，故选取该年较大且完整洪水过程和有代表性的平水期过程进行日平均流量的对照分析，时间段为2019年7月9日—2019年8月14日(洪水期)和2019年12月1日—2019年12月20日(枯水期)，具体分析见表3～4及图5～6。

表3 洪水期日平均流量对照

表4 枯水期日平均流量对照

图5 洪水期日平均水位流量过程线示意

图6 枯水期日平均水位流量过程线示意

从表3～4和图5～6中可以看出，HADCP与常规推流计算出的逐日平均流量与水位过程线相互呼应，较好地反映出流量的变化过程且线形间相互交替，相对误差有正、负，达到了流量精度控制指标要求。说明V指标～V平均相关关系良好，具有连续性和代表性。

在图表中可以看出两种方法推算的成果虽有偏差。但考虑到两种成果测验方式和流量推求方法不一致，HADCP流量是实测出的V指标通过率定的相关关系推求的，具有实时性，能真实地反映瞬时流量的变化过程；而定线推求的流量是根据水位的变化，选取代表点通过流速仪实测后采用临时曲线法推求的，所以在一定程度上只具有相对的可比性。

3.3 实测流量对照合理性分析

从图7看出，在洪、枯水期，HADCP所测指标流速利用率定关系公式所计算的实时流量与缆道实测流量相呼应，相对误差较小，没有出现不合理现象，满足水文精度要求，说明HADCP在线测量成果精度高、稳定性好。

图7 实测流量与HADCP流量对照线示意

4 率定质量评定及仪器安全保障

1) 本次率定分析资料的时间段为2019年1月19日—2019年12月31日，共收集了53份率定分析资料，在此期间，HADCP运行基本正常，采集信息连续，较为可靠，流量过程较为完整。但由于罗定古榄站是高雷区，受雷击较为严重，中途曾被雷击过两次，通过单位管理人员和仪器公司的积极沟通、交流和全面排查并及时更新设备之后，仪器恢复正常。

2) HADCP在线测流法突破了传统人工流速仪测流法的工作模式，测流自动化解放了劳动力，且HADCP在测流频次能达到5 min/次的采集密度，实时监测流量数据，这是人工作业无法实现的；大大减轻该站流量测验、水量平衡计算的工作量，直接利用系统数据进行资料整编，减少了资料二次输入带来的错误，提高整编质量和工作效率。

3) 在本次HADCP的比测率定工作中，率定资料的水位变幅为3.39～7.29 m，实测流量变幅3.49～691 m3/s，相应流速变幅为0.19～2.54 m/s，在此范围之内，HADCP的V指标～V平均关系线通过三线检验，定线精度符合《水文资料整编规范》(SL 274—2012)[4]要求。建立相关关系线公式为：

V平均=0.066 4V指标2+0.754 2V指标-0.002 6

(2)

适用范围为在中、低流速期间(0.1 m/s

4) 防撞击安全措施。HADCP河段属于非通航河段，船只较少，测验过程中有个别过往船只和漂浮物等对HADCP有一定的影响，但是相对影响较小。固定桩喷涂警示颜色，提醒船只勿靠近；探头两边都焊接有保护板，以保护探头不被船只直接触碰，也起到阻挡垃圾的作用。

5) 防盗安全措施。定制不锈钢支架和轨道，探头及大半导轨没入水下，固定支架的不锈钢钢管打桩到河底，采集控制器安装在站舍里面，太阳能电池板安装在站舍楼顶，尽量避免仪器抛头露面。

5 结语

通过对罗定古榄水文站HADCP流速关系率定分析、流量精度对比、实测流量成果对照，可以认为HADCP安装位置和采样区域代表性良好，系统误差在规定范围内，定线精度符合有关规范要求，满足整编要求，可正式投入使用。

HADCP测验操作简便、不扰动流场、易于管理，适用与较为边远，人力不足，断面地形较为规则稳定，流场流况相对稳定的的水文站点。但由于近两年都是平水偏枯年份，因此中高水位应继续进行比测分析，扩大关系式的适用范围。