長江中游螺山水文站流量在線監測方案分析

陳嘉翰

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢 430012)

0 引 言

螺山水文站是長江中游干流的重要水文站，水位流量關系為繩套型，采用單值化布置測驗。隨著沙洲和水情的演變，對水文監測的要求越來越高，為了更便捷有效提供精度可靠的實時流量數據，急需開展流量在線監測的研究工作。但是目前針對水位年變幅大且為復式河床的大江水文站測驗斷面，還未開展全面比測工作[1]，為推進相關工作的穩步開展，本文根據《流量在線監測方法適應性技術指南》[2]的要求，研究各種流量在線監測設備在螺山水文站的應用前景，為后期采納并開展比測推薦較優的設備選型方案。

1 螺山水文站概況

螺山水文站始建于1952年，位于湖北省洪湖市境內，是長江荊江與洞庭湖出流匯合后的國家一類基本水文控制站，國家重要報汛站，控制流域面積1 294 911 km2。沙質河床不穩定呈W型，斷面沖淤變化較大，主泓位置歷年有所擺動。目前主要流量測驗儀器有走航式ADCP、流速儀等。

1.1 測驗河段概況

螺山水文站測驗河段順直長度約4 km，位于長江中游重要礙航河段——界牌河段。測驗斷面上距長江與洞庭湖的匯合口30 km、上距楊林山和龍頭山天然卡口約10 km，下距南門洲約17 km(圖1～2)；測驗斷面左岸上游140 m建有螺山電排站，最大排水量為200 m3/s，右岸上游350 m建有排灌站，在排灌站滿負荷運行時，對測驗斷面近岸區域水流有一定的影響。中低水時期，江心洲顯露，給測驗工作加大了難度。

圖1 測驗河段示意Fig.1 Map of test reach

圖2 測驗斷面布置Fig.2 Layout of test section

1.2 測驗斷面概況

1.2.1 測驗現狀

按《水文測驗任務書》規定，螺山全年按水位-流量單值化方案布置測次，主要采用水文測輪搭載走航式ADCP施測(表1)。

表1 近年流量測次統計

螺山流量測驗在單次成果精度和測次布置上存在的問題如下：

(1) 在沙洲顯露時，右汊流速和水深相對主泓(左汊)明顯偏小，測驗耗時較多；

(2) 測驗斷面上游有楊林山和龍頭山天然卡口和沙洲攪流，測驗難度增加；

(3) 左汊晝夜航道運行，測驗難度增加。

1.2.2 水沙特性分析

沙洲頂部高程年內、年際均有沖淤變化，以2020年為例，在汛前水位26.47 m(4月2日)、汛后水位24.21 m(10月29日)以下時，江心洲就會顯露，且近年來1月份前后右汊過水流量明顯減小，整理 2020年全年實測流量左右汊占比，左汊流量與右汊流量比為4∶1左右。

整理2018～2020年螺山站實測最大流量見表2，分析可知左汊流量占比基本穩定在80%，左右汊流量占比在年最大洪水過程時多年變化較小。

表2 實測最大流量左右汊占比統計

繪制2018～2020年的主汛期大斷面圖，對比分析可看出同水位下過水斷面面積逐年減小，淤積較為明顯，沙洲有逐年向右遷移的趨勢(圖3)。

圖3 大斷面圖Fig.3 Great profile

2 在線監測方案分析

2.1 代表流速分析

螺山站2017～2020年水位在18.8 m以上，使用測船ADCP搭載走航式施測了208次流量，主流在左汊主泓的起點距425～775 m范圍內擺動。

選取大斷面起點距D=135，275，425，585 m垂線和135+275 m，135+275+425 m的垂線的組合建立的區域流量(大斷面起點距D=100～200 m，100～400 m區域)和全斷面流量進行相關分析，得出起點距585 m的垂線和2組垂線組合建立的區域流量線性相關性好，近年來相關系數均在0.9以上，符合流量在線監測方法適應性的可行性分析條件——具備代表垂線或代表性的區域流速(以2020年為例，見圖4～6)。

圖4 D=585 m部分流量與斷面流量相關關系Fig.4 Correlation diagram between partial flow and section flow (D=585 m)

圖5 D=100～200 m區域流量與斷面流量相關關系Fig.5 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100～200 m)

圖6 D=100～400 m區域流量與斷面流量相關關系Fig.6 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100～400 m)

2.2 關系曲線三線檢驗

對2018～2020年代表線或區域流量與全斷面流量的相關關系按照《水文資料整編規范》有關公式進行三線檢驗計算，結果如下。

2.2.1 符號檢驗

采用公式(1)進行計算：

(1)

式中：u為統計量；n為測點總數；k為正號或負號個數；u1-α/2為標準值。若u

表3 代表垂線或區域相關關系符合檢驗統計(α=0.05)

2.2.2 適線檢驗

采用公式(2)進行計算：

(2)

式中：u為統計量；n為測點總數；k為正號或負號個數。若u

表4 代表垂線或區域相關關系適線檢驗統計(α=0.05)

表4中僅2019年通過適線檢驗，最可能的原因是螺山采用單值化方案布置測點，年最高洪水位之前測點主要布置在漲水面，汛后補級差、沙推測驗的測點基本都在落水面上所致。

2.2.3 偏離數值檢驗

采用公式(3)進行計算：

(3)

表5 代表垂線或區域相關關系偏離數值檢驗統計(α=0.05)

以上分析可知，2017～2020年選取的全年代表垂線流量(或區域流量)和全斷面流量建立的關系雖不是最優，但也說明左汊主泓部分與全斷面流量具有較為顯著的代表性。為此，本文接下來將分析其沙洲被淹沒后的中高水位部分，尋找部分代表區域與全斷面相關關系是否存在更優的關系。

查閱圖3，在水位高于26 m期間沙洲處于淹沒狀態，隨即選取2020年相關實測數據進行分析，其三線檢驗結果如下：

(1) 符號檢驗u=1.10<1.96，合格；

(2) 適線檢驗u=3.74>1.64，不合格；

(3) 偏離數值檢驗|t|=2.08>1.96，不合格。

即單獨采用沙洲淹沒后的流量建立的相關關系也未達到預期值。

綜上所述，選取的代表垂線D=585 m和100 m≤D≤400 m部分流量雖不是最優解，但也能在一定置信水平上用于推算全斷面流量，適宜開展在線監測技術布設方案的優選工作。

2.3 在線監測方案分析

根據上述分析可知，螺山流量測驗斷面具有代表性區域的起點距范圍是100～400 m，左汊流量在全斷面流量中占比權重顯著，因此可考慮在左岸部署適用的流量在線監測設備監測其代表區域流量，建立與全斷面的相關關系，用以提高流量監測的預測與預警水平，并指導常規測驗布置。

參照長江水利委員會水文局發布的《流量在線監測方法適應性技術指南》[2]，根據傳感器是否接觸水體，通常可以將流量在線監測設備分為接觸式和非接觸式兩個大類；按照測流原理又分為聲學法、雷達法、圖像法及水力學法等。各類非接觸式和接觸式水文自動測報設備已在不同流域或站點中得到一定的應用，本文對可部署在螺山流量測驗斷面的設備可行性開展分析。

2.3.1 聲學法

聲學法可分為時差法和多普勒法，受螺山站測驗環境影響，此次以超聲波時差法和固定式ADCP為例，進行適應性分析。

2.3.1.1 超聲波時差法

(1) 測驗對象：可測量水平層平均流速，可多層布設。

(2) 測量范圍：2～200 m。

(3) 優點：直接測得代表層平均流速。

(4) 布設難點：① 螺山斷面左岸為自然山地，中泓中低水部分有沙洲，右岸為堤防，且水位變幅通常在13 m以上，需要左右汊、低中高水多套部署，且沙洲部分儀器部署困難；② 左汊為主流且是主航道，加之上游臨近螺山電排站，儀器易受到干擾；③ 兩側安裝難以實現[3]。

2.3.1.2 固定式ADCP

固定式ADCP的測量范圍與優點見表6，其布設難點：① 由于螺山斷面分汊，右汊淺水較難部署；② 左汊主泓位置在200 m以外、水平式ADCP受斷面寬度、水位變幅大的影響需要多級布置；③ 垂直式ADCP中泓附近受船只通航干擾影響較大。結合螺山站水沙特性及斷面實際情況分析，單一的一組ADCP無法滿足全水位級的測驗需求，需要采用多儀器組合布設方式，如部署2個以上水平式ADCP加2個垂直式ADCP的方案，方能滿足螺山站流量在線監測的精度要求，主泓或臨近主泓部署垂直式ADCP雖然代表線最佳，但因主流在左汊且又是主航道，很難保障儀器的安全采集，因而采用接觸法測驗受當地環境的制約條件較多。

表6 固定式ADCP的測量范圍和優點[4]

2.3.2 雷達法

雷達法常利用點雷達流速儀和雷達側掃(超高頻雷達、甚高頻雷達)，其適應性分析如下。

2.3.2.1 點雷達流速儀

(1) 測量對象：水面點流速。

(2) 測量范圍：單點。

(3) 優點：① 不受水質、漂浮物影響；② 機動性高，可用于巡測。

(4) 布設難點：① 對惡劣測量條件敏感，② 需要水面存在強反射，③ 低流速測量誤差大。

根據該設備的特點，結合螺山站斷面實況分析，由于缺少橋梁、纜道等安裝條件[5-7]，目前不適用于螺山站使用。

2.3.2.2 側掃雷達(超高頻雷達、甚高頻雷達)

(1) 測量對象：水面流速場。

(2) 測量范圍：30～500 m。

(3) 優點：可獲得水面流速分布。

(4) 布設難點：① 需現場比測標定；② 單站布置效果不理想；③ 左岸斷面附近等待過船閘的船只和主航道通行船舶對連續測驗存在干擾[8]。

根據設備以上特性，結合螺山站斷面實況分析，宜布設雙站。

2.3.3 圖像法

圖像法常見為圖像測速法[9-10]。

(1) 測量對象：水面成像測速(RSIV)或水面流速(視頻攝像)。

(2) 測量主要影響因素：依賴示蹤物的可見性，與偏振濾波方式有關。

(3) 優點：① 時空分辨率高，② 測量范圍廣，③ 機動性高。

(4) 布設難點：圖像測速法依賴于示蹤物的可見性且成像環境易受干擾，加之螺山右岸無制高點，左汊江面船只較多，圖像測速法部署條件較差。

3 結 論

依據螺山水文站2017～2020年實測流量成果，對其測站特性進行了分析，建立了代表區域與全斷面流量的關系，得出起點距585 m垂線和起點距100～400 m范圍的代表流速與全斷面平均流速相關性較好，相關系數大于0.9，可以作為在線監測的代表流速垂線和代表流速區域，可在其范圍內應用本文2.3方案分析中提及的相關設備。布設在線監測系統的儀器組合方式建議如下：

(1) 受水位變幅大、中低水位沙洲導致兩側安裝難實現、成本太高等因素制約，不推薦超聲波時差法[11]。

(2) 左汊主泓附近布設1臺垂直ADCP+1套水平式ADCP，但是主泓布設垂直ADCP特別容易受到通航影響，難以確保長時間穩定采集數據，需要協調航道、海事等相關部門加強維護措施才能有效工作。

(3) 考慮水位年變幅達13 m，分水位級布設2～3級水平式ADCP或分設掃描式ADCP，受左岸避風、等候過船閘的船舶的影響以及螺山泵站排水時對左岸流量的干擾等因素，本方式也難以確保長時間穩定采集數據。

(4) 點雷達法、圖像法在本斷面缺乏應用條件，也無大江大河的成果案例。

(5) 雙站式超高頻側掃雷達，目前在大江大河中成功應用的案例不多，在仙桃水文站的精細比測尚在進行中，中泓以外兩側表層流速的算法也正在探索中，從測速范圍大、儀器能長時間可靠運行方面看，解決了精度和算法的優化后本方案具備使用條件。

綜上所述，在螺山斷面可采用垂直ADCP開展流量在線監測；在解決了精度和算法的優化后，也可采用雙站側掃雷達開展流量在線監測。流量在線監測可用于超標準洪水應急監測，為洪水防御提供支撐。