H-ADCP在高州水文站的應用

孫正熙

摘 要：為解決受水利工程影響水文站的測流問題，提高測流的準確性，在高州（四）站引入H-ADCP進行在線流量監測。本文從水位、流速、流量3個方面進行了比測試驗，試驗結果符合規范，相較與傳統測流方法能更準確的識別受水利工程影響的流量突變過程，為相同情況的水文站測流提供參考。

關鍵詞：H-ADCP 比測試驗 應用分析

高州（四）站為鑒江中上游控制站，近年來由于上下游電站發電情況復雜（電站擴容、人員調整等）、發電功率記錄不清晰、閘門開關混亂等原因的影響，導致水文站需要投入大量人力物力來增加測流次數保證結果滿足測站精度的要求。2017年10月，高州（四）站引進美國SonTek公司TRDI CM 600kHz型側視式聲學多普勒流速剖面儀，用于實時在線測流，并后續開始了比測工作。

1.高州（四）站基本概況

高州（四）站建于1946年9月，為收集鑒江干流中上游水文資料，結合流域開發、水質監測及水情需要而設，為國家重點站，屬二類精度水文站。位于鑒江中游的高州城新橋上游45米處（即東經110°50′13.0″，北緯21°54′48.2″），集雨面積2905km2。主要測驗任務有：水位、流量、泥沙、降水量。

高州（四）站基本水尺斷面與測流斷面為同一斷面，主流偏于左岸，流向與斷面垂直，右岸灘地約占河床的三分之二。測驗斷面下游2—3km較為順直，上游約400米處有彎道且有沙洲。站舍及水位自記臺設在基本水尺斷面（兼上比降斷面）的左岸。主流偏于左岸，右岸灘地約占河床的2/3，灘地上種植疏菜，沙質河床。基本水尺斷面上游約5km處有秧地坡攔河壩一座，下游約2km處有紅荔電站攔河壩一座，受上下游攔河壩閘門啟閉及發電影響，測驗河段水位在27.00-29.00m波動，流量變化頻繁、急劇，對流量測驗影響較大。

2.比測試驗

2.1 H-ADCP測流基本原理

假定水體中顆粒物與水體流速相同，當顆粒物的移動方向是接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發射頻率高；當顆粒物的移動方向是背離換能器時，換能器接收到的回波頻率比發射頻率低，發射頻率與回波頻率存在差值，差值確定：

2.2 儀器安裝位置選擇

經斷面穩定性分析和斷面流速分布分析，確定基本水尺斷面兼流速儀測流斷面比較穩定，

受下游電站調控影響，若無清淤、防汛、河道施工等特殊情況出現，高州（四）站儀器安裝斷面水位穩定在27.00-29.00m，考慮儀器波束距離的縱橫比（1：40），綜合實際安裝情況，最終選擇距離左岸18.7m，高程25.80處安裝儀器。

2.3率定期間的水文情勢

高州（四）站上游流域2018年1月～2018年8月降水總量為1187.5mm，其中2018年1月～5月降水量較少，其他各月均有較大的降水過程，在2017年9月1日出現了率定期間最大洪水，洪峰水位為28.63m，洪峰流量為1010m3/s，水位變幅為0.60m。

3.資料分析

3.1水位比測分析

本次比測分析洪水期選用率定期間2017年9月1日至2017年9月2日洪水的水位數據進行水位比測， 平水期2017年5月26日至5月27日的水位，進行水位比測分析。

經比較，在平水期波束水位合格率為100%，洪水期召測水位合格率為98%，產生誤差的主要原因在于TRDI的垂直波束水位并無靜水裝置，壓力水位在平水期和洪水期與召測水位均有較大差距。因此，在整編時采用外部召測水位，在自記水位計故障期間，采用波束水位作為應急水位使用。

3.2代表流速與斷面平均流速關系的建立和關系曲線的檢驗

斷面平均流速與TRDI系統的瞬時指標流速代表流速兩者建立關系。比較多項式擬合與單項式擬合，擬合效果有明顯的提高，故采用多項式擬合。

本次率定測驗工作共收集53個測次的斷面流量實測數據及相應SL流量計數據。率定數據水位變化范圍為26.34m-28.64m，實測流量變化范圍為33.8m3/s-944m3/s，斷面平均流速變化范圍為0.054m/s-1.59m/s，對應SL指標流速變化范圍為0.054 m/ s-2.29 m/s。斷面平均流速V平均與SL瞬時指標流速VSL兩者相關關系良好，如圖1。

由圖可知指標流速與斷面平均流速的相關關系式為：

根據《水文資料整編規范》（SL 247—2012）要求，對該關系線進行精度分析及三種方法的檢驗（詳見附表3）。結果如下：

標準差Se=7.3%，隨機誤差為14.6%≤18%，達到規范規定的精度要求；系統誤差為-0.2%≤±3%，達到規范規定的精度要求。

（1）符號檢驗n=53 ，K=30（K為正號個數），u=0.82<1.15，認為合理，符號檢驗通過。

（2）適線檢驗：n= 53 ，不變換符號"0"次數為30 ，變換符號"1"次數為25，U=0.14<1.64。

（3）偏離數值檢驗：n=53，│t│=0.19<1.67，認為合理結果：上述三種方法對關系曲線的檢驗，均達到規范要求，認為定線正確。

3.3流量精度對比分析

選取2018年9月1日率定期間最大洪水，繪制臨時曲線法推求與TRDI推算的兩條流量過程線對比。從圖2可以看出兩種方法推求的流量過程差別較大，僅實測流量點較為接近。經過分析該洪水期間的召測水位，受下游電站調洪影響，洪水水位變幅僅0.60m，流量一直在發生突變，人工測流無法捕捉到這個突變過程，導致后續定線時連時序法無法反映這一突變過程。

月平均流量見表1，周期越長，相對誤差較小，其中最小相對偏差-1.22%，

比較高州（四）站2018年1-8月臨時曲線法推求與TRDI推算的總徑流量，可看出兩種方法推求得出的年徑流量相差2.20%。（以兩種方法推求的年徑流量差值與臨時曲線法推求年徑流量的比值作誤差計算）

4.結論

（1）H-ADCP是一種相對于傳統測流設備較為先進的測流設備，它具有維護少，快捷、實時、準確的優點。對不同水流，特別是受水利工程嚴重影響的河流，H-ADCP的投入應用，將節省大量的人力物力；

（2）直接利用系統數據進行資料整編，減少了資料二次輸入帶來的錯誤，提高整編質量和工作效率；

（3）在各個流速級別，TRDI代表流速～斷面平均流速關系通過各項檢驗，精度高，驗證成果令人滿意。

參考文獻：

[1]蔡培青.幾種主要測流方法的簡述[J].數字化用戶，2007（13）：107.

[2]謝志鋒.化州（城）水文站新儀器H-ADCP的應用研究[J].珠江水運，2015（22）： 74-75.