H-ADCP流量监测系统在复杂河势中的应用

黄国新，上官晖，熊忠文

(1.赣江上游水文水资源监测中心，江西 赣州 341000；2.信江饶河水文水资源监测中心，江西 上饶 334000；3.鄱阳湖水文水资源监测中心，南昌 330000)

1 概述

近年来，受水利工程建设影响，部分河段的水文站变成库区型或坝下型水文站，河流的水文情势发生很大改变，原有较为稳定的水位流量关系遭到破坏，要满足逐日平均流量、年流量特征值的推求，流量测次需急剧增多，工作成本急剧加大，且测验精度也有所下降，给水文测验现代化、科技化、智能化工作提出了新的要求和挑战。另一方面，对于涨落急剧的河流，高洪条件下抢测时机难以把握、测验难度大、安全风险高、测验效率低。针对上述两种条件下的河流测验工作，传统方法是采用固守断面，年复一年的进行施测，任务重，困难大，工作效率低[1]。在受暴雨洪水影响，抢测洪峰流量时，还面临人员配置不足和生产安全隐患。总体而言，针对这些复杂情势下的河流，采用传统的水文测验方法测验难度大、精度差、成本高。因此，探求复杂环境下流量测验新方法是十分有必要的，而流量自动化测验方法的快速发展提供了很多新的选择[2]。

H-ADCP，即哨兵式声学多普勒流速剖面仪，是一种高效率、高精度的流量测验仪器，配套数据采集与传输模块、供电模块等组成H-ADCP监测系统后可以用于监测水位、流速、流量的实时变化，是一种可用于复杂环境下的水文站流量测验新方法[3-4]，在国内很多河流环境中获得成功广泛应用及讨论[2,5-9]。本文以渡峰坑水文站、岗前水文站、虎山水文站的 H-ADCP实际应用为例，分析H-ADCP监测系统在江西复杂河势中的应用，探索H-ADCP流量监测系统在江西的应用前景。

2 测站概况

2.1 渡峰坑水文站

渡峰坑水文站系饶河西支昌江控制站，是国家重要水文站，测站集水面积为5 013 km2(昌江流域面积为6 260 km2)，属流量一类精度水文站。除担负基本水文资料收集外，主要承担景德镇城市防洪、水环境监测、水情信息服务。该站流量测验采用缆道流速仪法，平水期3 d 1次，涨水期按过程布点，每年流量测次高达200次左右。1987年7月，渡峰坑水文站下游12 km处的昌江水利枢纽鲇鱼山节制闸建成使用后，除几次涨水过程外，全年中低水水流受严重的顶托影响，属于受水利工程影响的水文站，为了能够掌握流速实时变化，实现流量测验任务的自动化及智能化，该站于2014年2月引入了 H-ADCP测流系统，站点测流断面及在线ADCP安装断面如图1所示。

图1 渡峰坑站大断面示意

2.2 岗前水文站

岗前水文站系赣江支流清丰水控制站，是国家基本水文站，测站集水面积为2 313 km2，属流量二类精度水文站。基本水尺断面上游314 m处有1座公路桥，桥长166 m，桥拱7个，下游680 m处有1座岗前大渡槽，长170 m，支撑孔18个，940 m处本河与抚河西总干交汇，交汇口上游500 m抚河西总干有一滚水坝，水坝的建设对河流监测断面的流态产生影响，增加了测流的难度，属于受水利工程影响的水位站，该站于2018年11月引入了H-ADCP测流系统，以便实时掌握流速变化情况，站点的断面如图2所示。

图2 岗前水文站大断面示意

2.3 虎山水文站

虎山水文站系饶河干流乐安河控制站，是国家重要水文站，测站集水面积为6 374 km2，属流量一类精度水文站。测验河段顺直，长约300 m，上游约200 m处有一大弯道，下游1 500 m处有急滩，下游700 m处有一深潭, 深潭上游有一石嘴伸入河心，附近有一沙洲，对本站低水起控制作用。左岸有一大沙洲，且逐年增高并向下延伸,水位低于23.50 m时有回流，靠岸边有死水区，当水位大于27.00 m时，左岸漫滩宽度为270 m，虎山站水位流量关系受洪水涨落影响，具有暴涨暴落山区河流特性[10]，属于暴涨暴落的水位站。该站流量测验采用走航式ADCP法、缆道流速仪法，涨水期按过程布点，至少需要3人协作才能完成。为了减轻站点的测流工作量，降低流量测验安全隐患，进一步完善升级站点的测流技术，该站于2016年12月引入了H-ADCP测流系统，站点断面如图3所示。

图3 虎山大断面示意

3 H-ADCP工作原理介绍

3.1 ADCP测量原理

ADCP测量原理为声学多普勒效应，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。每个换能器均可发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物散射回来的声波。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——声学多普勒频移，kHz;

fδ——回波频率，kHz；

v——颗粒物沿声束方向的移动速度，m/s；

c——声波在水中的传播速度，m/s。

3.2 H-ADCP监测系统工作方式

H-ADCP是采用指标流速法进行水道断面流量监测的，指标流速法是由局部流速( 如单点流速、垂线平均流速或水平区间代表流速等) 推算断面平均流速。为了得到断面平均流速与指标流速的关系，需测出不同水位下的流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据，再对数据进行相关分析，即可以得到它们的相关关系，相关关系线的获取通过比测率定过程确定。

3.3 H-ADCP监测系统安装方式

H-ADCP流量监测系统以ADCP流量传感器为核心，配合数据采集及传输系统进行数据的实时在线采集及传输，岸基流量监测平台进行数据的接收、可视化及导出符合《水文资料整编规范》的流量报表。

按照水文相关规范要求，H-ADCP安装的测流断面的基本要求有顺直，无岔流，紊流，河床稳定，水流集中，相对稳定，远离水工建筑，距离水工建筑的距离至少为洪水期河宽的3～5倍。3个站点安装的H-ADCP传感器波束角参数为1.5°，能提供的纵横比为1∶40，因此设备正常工作需要一定的水深要求，且波束扫射断面不能有障碍物阻挡。通过现场条件勘测，岗前水文站及虎山水文站测流断面满足安装断面要求，两个站点的H-ADCP流量监测系统均安装在测流断面，而渡峰坑水文站由于流速仪断面不具备安装条件，经过勘测安装于下游285 m的码头断面，以获取更好的测流数据，经过评估，3个站点均适用于固定，因此3个站点均采取固定式打桩安装的方式[11-12]。

4 系统应用情况

4.1 总体运行情况

自安装运行以来，3站点除在试运行时期存在不稳定、数据丢失的情况外，在正常运行阶段，系统稳定性高，运行情况良好。根据3站点多年的运行过程遇到的状况，在本区域的H-ADCP系统的建设及稳定运行需要考虑两方面的建设经验。

1) 考虑恶劣环境如雷击、洪水的影响。仪器套管保护且接地，有效地避开雷击，在其他恶劣天气情况下仪器能够正常运行。安装支架设计合理，在漂浮物较多，河流含沙量较大，流速比较大，设备摆动幅度小，抵抗洪水的冲击并且满足洪水监测的需求。

2) 选用稳定的数据采集与传输设备，保证运行期间数据不会丢失或者中断，过程线较为平滑，趋势较平稳。

从3个站点的率定情况可知，H-ADCP流量监测系统在受水利工程影响的渡峰坑和岗前水文站，在暴涨暴落的虎山水文站均可以建立良好的、通过三线检定的率定相关关系线，H-ADCP流量监测系统在此类断面均可以得到成功应用，实现流量数据的实时在线自动化、智能化。

4.2 渡峰坑水文站

站点率定分析资料的时间段选取2014年、2016年、2017年采集的共178份数据(2015年因仪器故障时间过长且包括了主汛期，不作率定分析)，由于受到下游鱼山闸影响，本站点低水时期水位与流速关系紊乱，且关闸期间会影响在线ADCP与流速仪的测流关系，因此，率定选用了采用缆道流速仪断面与ADCP断面且流速0.3 m/s以上共59份数据作为率定数据。在此期间，渡峰坑站发生了3次超警戒洪水过程，最高水位为33.89 m(2016年)，最低水位为22.99 m(2017年)，占历年水位变幅81.1%。其中本站流速仪测流断面与H-ADCP测流断面间判断同一时间流量相等，根据此原理建立两断面之间流量相关关系，确定的关系线公式为Q转子流速仪=0.763QADCP，相关系数为0.99，符合三线检定要求且定线关系良好[12]。

1) 流量过程合理性验证

从图4可以看出，受人工测验布点时机影响，实测流量与H-ADCP率定后流量过程趋势局部不一致。将渡峰坑站上游樟树坑、深渡两站整编流量合成，点绘到过程图上，合成流量过程与H-ADCP率定后流量过程趋势基本一致，说明H-ADCP在线监测数据能反映完整真实的流量变化过程。

图4 渡峰坑水文站流量过程合理性验证示意

2) 次洪流量过程验证

从图5可以看出，经对缆道流速仪法与H-ADCP法2014年、2016年、2017年最高洪水过程次洪总量进行误差计算，2014年、2016年误差为3.4%，2017年误差为-1.1%，规范允许误差为±3%。造成次洪总量误差比允许误差略偏大的主要原因是受水利工程影响，缆道流速仪法测次布设不够及人工测验误差，无法完全控制流量变化过程。

图5 渡峰坑站20170623-0626洪水流量过程线对照示意

从本站应用分析，H-ADCP适合于受水利工程影响的断面流量在线实时监测，能消除测次布设不够及人工测验误差，控制完整的流量变换过程，在安装前期需要考虑水利工程对流速关系的影响，且率定过后定期进行合理性验证分析。

4.3 岗前水文站

站点率定分析资料的时间段为2018年12月27日—2019年7月，共收集了64份缆道流速仪数据资料，实测流速变幅为0.18～1.04 m/s，水位变幅为19.56～23.94 mm。由于流量随水位变化大，加上水利工程的影响，站点根据水位分段建立2条相关关系线。当水位大于19.48 m时，Q断面=0.9411×Q代表+4.75；当代表流量大于等于404 m3/s时，Q断面=0.4774×Q代表+192.06，率定关系线通过三线检定要求[11]。

经过率定后，选取低水位及中水位期间的水位、常规缆道流速仪法与H-ADCP流量在线监测系统利用率定关系公式所计算的流量进行对比验证分析，所计算的逐时流量过程线同常规缆道流速仪测量流量变化几乎重合，同时和水位变化过程相呼应，没有出现跳动现象，符合水流的一般变化规律，可以确定指标流速推流成果的合理，H-ADCP系统在岗前水文站能作为日常流量测验的方式。

4.4 虎山水文站

站点率定分析资料的时间段为2019年1月2日—7月19日，实测数据118组，由于水位变化，走航ADCP每次比测断面不固定，本站点采用流量数据建立相关关系线。2019年最高水位为29.78 m，最低水位为18.24 m，占历年水位变幅89.2%。在分析过程中，由于虎山水文站属于暴涨暴落河道，水位流量关系受水位涨落影响太大，在对采集的率定数据进行分析后，根据水位分段建立关系线，具体分为低于 19.5 m，19.5～22.5 m和高于22.5 m 3段，具体经过三线检定的率定关系结果如图6和图7所示。

图6 虎山水文站水位19.5～22.5 m间流量率定相关关系线示意

图7 虎山水文站水位22.5 m以上流量率定相关关系线示意

1) 次洪总量、汛期总量验证

经对2019年4次洪水过程次洪总量分析计算，实测整编与H-ADCP推求的次洪总量误差最大的为2.9%，最小的为-0.4%，均在允许误差±3%范围内；汛期总量误差为0.5%，在允许误差±2.5%范围内。

因此，H-ADCP适合于暴涨暴落的断面流量在线实时监测，不仅数据误差满足规范要求，而且能够降低流量测验安全隐患，还可以腾出一定的人力开展巡测工作。针对水位变幅带来的水位流量定线的问题，可以采用对水位进行分段进行获取合理的率定关系线。

5 结语

H-ADCP是目前世界上先进的测流仪器，是科学、高效、便捷的测验手段之一，不仅能适应天然河道的水流条件，能够获得很好的应用效果。在典型受水利工程影响的河段及暴涨暴落等流态复杂的河段亦有可以良好表现，获取通过验证的率定关系线，实现流量数据的实时在线监测和数据自动采集功能。

在复杂的河流断面，为了一定程度上克服复杂的流场、流态进行水文测验，站点的安装方式、断面的选择需要进行前期严格的验证，站点的率定比测数据需要多采集高中低水位的建立率定关系，对于流量随水位变化大的断面，一般需要考虑根据水位变化分段建立相应的相关关系，获得更好的流量成果。