H-ADCP 在巢湖水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李 梅 ，胡家良

（1.巢湖管理局水環(huán)境保護(hù)管理中心，安徽 巢湖 238000；2.巢湖管理局河道和工程管理處，安徽 巢湖 238000）

1 概述

巢湖是我國(guó)五大淡水湖之一。長(zhǎng)期以來(lái)特別是黨的十八大以來(lái)，中央高度重視巢湖綜合治理，從“九五”規(guī)劃開(kāi)始，一直把巢湖列為全國(guó)“三河三湖”治理的重點(diǎn)。二十埠河為巢湖一級(jí)支流南淝河左岸的主要支流，河流長(zhǎng)度32 km，流域面積144 km2，流經(jīng)合肥市新站區(qū)、瑤海區(qū)和肥東縣，是合肥市東部的一條重要季節(jié)性河流。二十埠河入南淝河匯合后入巢湖。

水量監(jiān)測(cè)是為了更好地了解河湖水資源情況，進(jìn)行河湖污染物通量計(jì)算，幫助各級(jí)政府準(zhǔn)確研判水資源形勢(shì)，在水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度、河湖長(zhǎng)制考核指標(biāo)分析等方面進(jìn)行科學(xué)決策。

水量監(jiān)測(cè)方法主要包括兩種形式，即人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)。人工監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)旋漿式（或旋杯式）流速儀采集測(cè)流斷面具有代表性的垂線某處的流速，并用測(cè)深儀等設(shè)備測(cè)量到當(dāng)前的水位，通過(guò)計(jì)算得出整個(gè)斷面的流量。通常利用水文纜道，或在橋上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，耗費(fèi)人力物力[1]，易受人為因素影響，人工監(jiān)測(cè)頻率相對(duì)較低，測(cè)量的數(shù)據(jù)連續(xù)性較差。自動(dòng)監(jiān)測(cè)是指在斷面上安裝水位、流速傳感器，自動(dòng)獲取斷面流速、水位數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)終端機(jī)RTU 發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，計(jì)算得出流量，經(jīng)率定后的流量成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)、連續(xù)性好，可以長(zhǎng)期用來(lái)監(jiān)測(cè)入湖、出湖水量[1]。

2 H-ADCP 測(cè)流原理

2.1 測(cè)流原理

H-ADCP 是水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀的簡(jiǎn)稱。它具有高質(zhì)量、高分辨率的特點(diǎn)，是一種高質(zhì)量的河流在線監(jiān)測(cè)儀器，主要利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量。用聲波換能器作為傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過(guò)水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出測(cè)線范圍內(nèi)若干點(diǎn)流速，采用相關(guān)方法計(jì)算測(cè)線平均流速[1]。

工作時(shí)兩個(gè)傳感器輪換發(fā)射聲波，準(zhǔn)確測(cè)量出該水層面從左到右不同距離上，兩個(gè)方向上數(shù)百個(gè)流速點(diǎn)數(shù)據(jù)。H-ADCP 測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)RS422 或RS232信號(hào)線方式接入位于岸邊的流速流量積算儀表，依據(jù)設(shè)置好的采樣時(shí)間間隔和用戶命令采集若干組數(shù)據(jù)計(jì)算層平均流速，水位采用外接浮子式水位計(jì)的水位值。現(xiàn)場(chǎng)流速流量積算儀依據(jù)流速點(diǎn)數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、河道斷面、數(shù)據(jù)相關(guān)性流量模型計(jì)算出河道瞬時(shí)流量，從而實(shí)現(xiàn)斷面流量的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并將所測(cè)的水位、流速、流量等水文參數(shù)通過(guò)RTU采集發(fā)送到數(shù)據(jù)中心[2]。

圖1 水平法測(cè)流示意

2.2 系統(tǒng)組成

二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站采用GRPS 無(wú)線遙測(cè)方式，由水下H-ADCP 測(cè)流單元將監(jiān)測(cè)的流量數(shù)據(jù)接入岸上流速流量積算儀，根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出橫向剖面的平均流速，然后根據(jù)率定的模型計(jì)算出斷面平均流速，并根據(jù)采集的水位數(shù)據(jù)最終計(jì)算出斷面流量。遙測(cè)終端RTU 采集流速流量積算儀的橫向剖面平均流速、水位、斷面流量數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站主要由水平式ADCP、氣泡水位計(jì)、數(shù)據(jù)采集RTU、4G 通訊模塊、一體化立桿、機(jī)箱、電源系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等部分組成。水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 二十埠河水量監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)流斷面布置

按照河湖長(zhǎng)制考核驗(yàn)收要求，巢湖流域在環(huán)湖一級(jí)支流、二級(jí)支流共26 條河流設(shè)置了43 個(gè)考核斷面，其中國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面14 個(gè)、省控9 個(gè)、市控20個(gè)。二十埠考核斷面為市控考核斷面。斷面處河道寬度約60 m，無(wú)灘地，河底高程約5.5 m，左右岸堤頂高程約13.2 m。建有水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)水質(zhì)、水量的同步監(jiān)測(cè)，二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站址在滿足自身建站要求時(shí)，盡量靠近水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站附近。右岸水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站棧橋長(zhǎng)5.8 m，橋面高程8.5 m，棧橋迎水面外側(cè)鋼管底部高程6.5 m。考慮斷面較小、河道順直、斷面穩(wěn)定，無(wú)明顯回流和阻水，無(wú)分叉等特點(diǎn)，具備H-ADCP 安裝條件，可采用H-ADCP 測(cè)流方式。根據(jù)枯水位和測(cè)流設(shè)備波束角（1.5°）開(kāi)度要求，測(cè)流傳感器探頭最低安裝高程6.6 m，傳感器和立桿軌道垂直固定在現(xiàn)有棧橋外側(cè)鋼管[2]。

3.2 比測(cè)與率定

遙測(cè)終端RTU 采集的數(shù)據(jù)，必須有水文專職測(cè)驗(yàn)技術(shù)人員按照流速儀法或走航式ADCP 比測(cè)技術(shù)要求，依據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）或《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL 337—2006）的規(guī)定，在不同水位條件下進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)建模和驗(yàn)證，達(dá)到規(guī)定的測(cè)流精度并提供對(duì)比率定后，方可正式使用。

H-ADCP 流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用H-ADCP 測(cè)量某一測(cè)層一定范圍內(nèi)橫向剖面平均流速，然后根據(jù)已建立的水位～斷面面積（Z～A）及斷面平均流速～H-ADCP 橫向剖面平均流速（Vcp～VADCP）關(guān)系計(jì)算出斷面流量。因此，分析和建立 Z～A 及 Vcp～VADCP關(guān)系是建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。

二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建成后，自2020 年1 月至2021 年9 月間，二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站共收集58 組有效的比測(cè)數(shù)據(jù)。各次人工測(cè)量數(shù)據(jù)及ADCP 流速數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表2 可知，本站點(diǎn)ADCP 流速0.4 m/s 以下的數(shù)據(jù)較為集中，水位多在10 m 以下，而流速大于0.5 m/s 的數(shù)據(jù)較為集中，水位多在10 m 以上。這些大而較集中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在2020 年巢湖流域6 月到7 月份梅雨期間。2020 年7 月巢湖流域發(fā)生了超歷史洪水，19 日忠廟站水位達(dá)12.80 m，22 日忠廟站水位漲至歷史極值13.43 m。期間二十埠河水位也超高不下，7 月22 日至8 月1 日間水位超13 m。

表2 二十埠河各次人工測(cè)量數(shù)據(jù)及ADCP 流速數(shù)據(jù)

由于二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站目前尚在初步應(yīng)用階段，現(xiàn)階段收集的比測(cè)數(shù)據(jù)較少，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系列性較差，分析對(duì)比性不夠。雖然能夠確定關(guān)系線，但效果不甚理想，還需要繼續(xù)開(kāi)展比測(cè)工作，收集更多有效的比測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善Vcp～VADCP關(guān)系的率定。

表2 中，部分時(shí)段流速儀出現(xiàn)負(fù)值。首先需人工排查ADCP 流速儀儀器故障，再分析出現(xiàn)河水倒流的原因是受風(fēng)力的影響，還是受下游施工圍堰影響等，然后結(jié)合實(shí)際情況審核該數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行修正。

按照不同流速，將58 組人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分成0.4 m/s以下和0.4 m/s 以上兩部分，依照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）規(guī)定對(duì)58 組數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，得到的回歸方程分別為y=1.2769x2+0.1598x+ 0.0717（見(jiàn)圖3（a））和y=-0.8295x2+2.2225x-0.1906（見(jiàn)圖3（b）），回歸系數(shù)分別為R2=0.3535和R2=0.7223。率定關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

由圖3 可知，流速小于0.4 m/s 時(shí)點(diǎn)較為分散，相關(guān)系數(shù)小于0.4，而流速大于 0.4 m/s 時(shí)相關(guān)性相對(duì)較好。表明在流速較大時(shí)ADCP 測(cè)量數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)較為接近，而流速較小時(shí)ADCP 測(cè)量數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，ADCP 的測(cè)流精度較難保證，還需要收集更多有效的比測(cè)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步研究。

圖3 水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站率定關(guān)系線

定線完成后，應(yīng)做符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，若三項(xiàng)檢驗(yàn)不滿足規(guī)范要求，應(yīng)另選計(jì)算模型，重新定線。對(duì)關(guān)系線三項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。比測(cè)數(shù)據(jù)率定結(jié)果能夠確定關(guān)系線，效果較為理想。

表3 關(guān)系線檢驗(yàn)參數(shù)表

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

二十埠河水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)率定，實(shí)現(xiàn)了24 小時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)接入數(shù)字巢湖平臺(tái)，各級(jí)管理人員可在平臺(tái)上查詢和使用歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。2020 年部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 二十埠河水量站部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

河湖污染在水里，來(lái)源在岸上。對(duì)于水污染防治不僅要重視各入湖河口斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，也要重視各入湖河道污染負(fù)荷消減。水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可用于計(jì)算污染物通量，宏觀指導(dǎo)水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度，持續(xù)改善水環(huán)境質(zhì)量。運(yùn)用上述率定成果計(jì)算的流量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到河道污染物總量。二十埠河2020 年6 月至12 月河道污染物總量如表5 所示。

表5 二十埠河河道污染物總量

4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的維護(hù)

由于水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站均在野外、露天建站，需要根據(jù)天氣及測(cè)站實(shí)際情況，安排維護(hù)人員開(kāi)展每月不少于1 次的巡檢維護(hù)。具體工作內(nèi)容包括水位校核，基礎(chǔ)設(shè)施的檢查、踏步，設(shè)備機(jī)箱、視頻監(jiān)控、棧橋、太陽(yáng)能電池板外觀的檢查，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、蓄電池的電壓、太陽(yáng)能電池板的充電電壓、RTU 的數(shù)據(jù)采集，各類數(shù)據(jù)的傳輸，ADCP信號(hào)傳輸水尺的清洗等。

5 結(jié)論

水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)水量在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)終端機(jī)RTU 發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，以及時(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)出流量的變化，全面提升巢湖流域水資源監(jiān)測(cè)和管理自動(dòng)化、科學(xué)化水平，增強(qiáng)流域現(xiàn)有功能區(qū)水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、代表性和功能區(qū)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)的科學(xué)性，為監(jiān)督水功能區(qū)達(dá)標(biāo)、入河污染物減排提供支持。水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)與水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)相同步，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映水體污染狀況，為水環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。