劉勇勝，黃程鵬

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

1 概 述

核電工程的水文觀測工作必須嚴格貫徹國家核電建設有關的法令、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范、標準，客觀地評價廠址區(qū)域的水文特征，為核電廠工程設計提供準確可靠的水文資料。在核電前期可行性研究階段，應全面開展現(xiàn)場調(diào)查、設立水文觀測站，積累至少一年以上的實測資料。

傳統(tǒng)的水文測流方法是采用轉(zhuǎn)子式流速儀法測量水流的流速、流向，這種方法只能單點觀測水文數(shù)據(jù)，費時費力。ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）即聲學多普勒流速剖面儀，是近年來發(fā)展起來的一種用于測量流速流量的聲學儀器，結(jié)合衛(wèi)星定位技術（GPS），能做走航式連續(xù)測量，這給大范圍、動態(tài)測流提供了條件，在長江三峽截流（一、二期工程）、廣東北江飛來峽截流等工程都有應用。

2 ADCP在重慶涪陵核電廠址水文觀測中的應用

2.1 廠址河道概況

重慶涪陵核電廠址（見圖1）位于重慶市涪陵區(qū)南沱鎮(zhèn)上游6.4km的長江右岸，處于三峽水庫常年回水區(qū)，距三峽大壩約450km，至涪陵約24km。

圖1 重慶涪陵核電廠址地理位置圖

廠址專用水文站附近河道河勢及其觀測斷面見圖2。絲瓜磧彎道凹向右岸，為中心角近180°的急彎。兔兒磧及右側(cè)的下絲瓜磧將河道在145m高程以下時分為三汊。河道橫斷面基本為“U”型，河寬在洪水期一般大于1 000m，最寬約1 700m；枯水期水位在144m以下時，下絲瓜磧露出，河道狹窄，河寬僅300m左右。

圖2 廠址附近河段河勢圖

2.2 測量控制

2005年6月至2007年8月，測流沿著水文站剖面走航進行139次，每月不少于3次，遇洪峰過程增加測次，每年不少于69次。流速測驗主要考慮三峽水庫運行調(diào)度帶來的影響按水位變化過程布置，測量范圍為右水邊至兔兒壩洲灘頂點（起點距200～1 000m），當下絲瓜磧附近測船測驗困難（水深小于3m）時，測驗范圍定在右水邊至下絲瓜磧洲灘頂點（起點距200～700m）；當清溪場站流量在30 000m3／s以上時，施測并計算全斷面流量，兩年共觀測6次。走航式測量時，結(jié)合河道剖面，利用測船GPS和橫式采樣器（1 000 ml）在起點距200m、280m、360m、440m、520m、600m、700m、800m、900m、1 000m處10線三點法（全斷面時13線三點法）采水樣進行懸移質(zhì)含沙量的測量。詳見圖3。

圖3 測量剖面和測驗垂線布設圖

走航式測量時，將WHS自容式600kHz型ADCP固定在船舷，避開磁性物質(zhì)，通訊電纜的另一端接在計算機串口，根據(jù)河流流速和流量測量的需要，采用適當?shù)臏y量軟件。ADCP作走航式測量時，連接GPS信標接收機。當GPS處于信標差分狀態(tài)，將GPS RS232串口接到一臺裝有HYPACK導航軟件的計算機串口上，設置HYPACK導航軟件參數(shù)，包括選擇坐標參數(shù)、串口設備、航跡測線及共享內(nèi)存輸出選項。HYPACK導航軟件將接收到的GPS位置數(shù)據(jù)輸入ADCP操作軟件，作導航或底跟蹤用。流量計算邊界半江測流時定在起點距1 200m，全江測流時定在起點距1 700 m；流量計算左邊界系數(shù)采用0.95，左右岸邊流速系數(shù)采用0.7。

2.3 測量結(jié)果與分析

2005年6月至2007年8月，廠址專用水文站涪陵站實測最大全江流量為47 200m3／s，出現(xiàn)在2005年7月22日9點45分，對應的水位為152.01m，平均水深為16.0m，最大水深為22.5m，斷面平均流速為1.61m／s，最大垂線平均流速為2.55 m／s。實測最小半江流量為2 740m3／s，出現(xiàn)在2007年3月15日10點30分，對應的水位為150.51m，平均水深為17.4m，最大水深為24.8m，斷面平均流速為0.13m／s，最大垂線平均流速為0.25m／s。

139次流量測驗結(jié)果和上游參證站清溪場站相應時段流量關系參見圖4。由圖4可知，廠址專用水文站涪陵站流量和清溪場站流量相關性較好，這和涪陵站與清溪場站之間沒有較大的支流匯入是吻合的；測量嚴格按照相關規(guī)范規(guī)程要求，流量和分層流速流向的測量精度均滿足《水文巡測規(guī)范》（SL195－97）要求。

圖4 涪陵水文站～清溪場站流量關系圖

通過ADCP在重慶涪陵核電廠址水文站觀測中的成功應用，說明該儀器可以在其他內(nèi)陸核電廠址的水文觀測中推廣應用。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法測流相比，ADCP優(yōu)勢明顯。

（1）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法只能靜態(tài)測流，由于測量費時，通常不會將子斷面劃分得很細，垂線流速的測量點也不可能很多，所以測得的數(shù)據(jù)量往往很小，只能通過有限垂線和有限測點數(shù)據(jù)經(jīng)后續(xù)計算得出斷面流量。ADCP則不同，除了可以定點測流外，還可以做走航式測流，可以從河流任意斷面一側(cè)航行到另外一側(cè)，走航過程中劃分的子斷面?zhèn)€數(shù)遠比流速儀多，并可將子斷面劃分很細，即近似積分，垂線流速的測量點也很多，相當于多臺流速儀同時測量；另外，除了可以測量到細分到很小的水層單元的流速和流向數(shù)據(jù)外，還能測得船速、水深、河寬和船的航行軌跡，數(shù)據(jù)量大大豐富，并且能立即計算出河流流量，省時省力。

（2）ADCP能直接測出斷面的流速剖面，具有不擾動流場、測驗歷時短、測流機動性強等特點，在核電廠址經(jīng)歷暴雨洪水等非常時機中能夠搶測到寶貴的流速和流量數(shù)據(jù)，體現(xiàn)其快速、靈活和實效的優(yōu)勢。

2.4 ADCP應用中的問題及解決方法

歸納2年來ADCP在重慶涪陵核電廠址以及其他廠址可行性研究階段水文觀測中的應用經(jīng)驗，目前ADCP應用中的問題按照其測驗的流程來劃分，主要有3類問題：硬件問題、測驗問題、數(shù)據(jù)處理問題。

2.4.1 硬件問題及解決方法

（1）測船的選擇。我國水文測驗在很多情況下通過鐵磁質(zhì)測船進行，鐵磁船可能導致ADCP內(nèi)部的磁羅經(jīng)發(fā)生偏差，可能測得的流速數(shù)據(jù)誤差很大。對于該問題，可以利用非鐵磁質(zhì)測船加以解決，比如木船或者玻璃鋼船等。

（2）ADCP的選擇。ADCP型號眾多，不同的工作頻率決定了其可以測量的最大剖面深度以及分層精度。在重慶涪陵核電廠址，最大實測水深為29.0m，超過了1 200kHz型ADCP的最大剖面深度（20m）范圍，再考慮到測量精度的問題，選用600kHz型ADCP是合適的。

（3）差分GPS的搭載。當存在底沙運動時，ADCP就不能準確的進行底跟蹤，測得的底跟蹤速度會存在偏差，從而影響水體流速和流量的計算，所以需外接GPS，用以代替底跟蹤，從而準確計算水流的流速和流量，這點已經(jīng)在國內(nèi)其他眾多水文測驗中得到證實。由于普通GPS缺乏穩(wěn)定性，建議采用差分GPS代替底跟蹤來測量船速，以便進一步提高流量測驗精度。重慶涪陵核電廠址附近河段沖淤變化大，最大沖淤變化幅度超過20m，尤其在汛期底沙運動更加活躍，所以為了測量的精確，搭載了差分GPS進行測量，取得了滿意的測量結(jié)果。

（4）回聲測深儀器的搭載。由于ADCP根據(jù)回波強度沿深度變化在河底突起的峰值來識別河底，故當水體含沙量較大的時候，ADCP無法正確識別河底和水深。對于該問題，可外接回聲測深儀器加以解決。重慶涪陵核電專用水文站剖面實測最大斷面平均含沙量為2.71kg／m3（2005年7月22日9點45分），通過搭載回聲測深儀一起測量，有效的避免了含沙量過大帶來的問題，取得了滿意的測量結(jié)果。

2.4.2 測驗問題及解決方法

（1）走航式測流和定點式測流的選擇。ADCP按照用途和安裝方式可以分為走航式和定點式兩大類。通常都認為走航式測流能測到空間上連續(xù)的豐富的水流流速流向數(shù)據(jù)，能快捷的算出走航剖面的流量。但在走航式測量時發(fā)現(xiàn)，水流平均流速非常小時，船速遠遠大于水流本身速度，流量測驗誤差較大，這也與《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》（SL337－2006）要求的“測船以接近或略小于水流速度橫渡”相違背。解決方法是在流速較小時改走航式為定點式，流速較大時采用走航式測量可以取得較滿意的測量結(jié)果。

（2）ADCP測驗參數(shù)的設置。在進行測量前，需要考慮ADCP盲區(qū)、深度單元尺寸和數(shù)目、脈沖間隔時間等參數(shù)設置問題，測驗參數(shù)的選擇直接影響到測驗結(jié)果的準確性。

深度單元尺寸應不小于設備允許的下限，深度單元數(shù)目不應超過設備允許的上限，且深度單元尺寸和數(shù)目的乘積，應大于走航剖面的最大水深，否則將不能準確測量走航斷面的流量。一般深度單元尺寸越小，深度單元數(shù)目應相應增大；但在含沙量較大的水域，深度單元尺寸不宜設置過小，否則將導致誤差加大。

脈沖時間間隔應根據(jù)斷面寬窄、水深大小進行設置。盲區(qū)的設置應不小于廠商規(guī)定的最小盲區(qū)，ADCP換能器入水深度應根據(jù)實際測量值確定。

（3）ADCP計算參數(shù)的設置。大量ADCP測量經(jīng)驗證明，盲區(qū)的流速差補是影響測驗精度的重要因素。ADCP測驗時，由于儀器固有的特點，在水面、河底以及左右兩邊近岸區(qū)均存在盲區(qū)，如何確定垂線流速分布模型和岸邊系數(shù)、通過實測數(shù)據(jù)來插補盲區(qū)的流速流量是測量的重要工作。

在本項目測量時，有個別流量測次岸邊系數(shù)采用不當，導致流量偏大，改正后正常。在今后的內(nèi)陸核電廠址水文測量中，為了提高測量精度，或者當出現(xiàn)測流問題時，可以通過ADCP測流和流速流向儀的比測，來綜合確定ADCP測驗參數(shù)、岸邊系數(shù)、岸邊流速系數(shù)。

離岸距離的確定：記錄下走航終點的經(jīng)緯度坐標，走航終點所垂直對應的岸邊點也記錄下經(jīng)緯度坐標，將兩個坐標均轉(zhuǎn)換為平面坐標，就可以計算離岸距。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理問題及解決方法

測驗斷面上水流流速較小，水面流速受風力影響較大，河底流速受水生物運動影響較大，因而ADCP測流時出現(xiàn)一些明顯異常的數(shù)據(jù)。通過分析排除了受風力和水生物影響明顯異常的數(shù)據(jù)，然后利用有效水層的數(shù)據(jù)按水流垂線分布規(guī)律進行分層流速的擬合，然后重新計算斷面流量，可以得到較滿意的結(jié)果。

在ADCP內(nèi)業(yè)資料整理中，一般要求處理各條垂線的分層流速數(shù)據(jù)，此時要注意刪除無用數(shù)據(jù)和偽劣數(shù)據(jù)。由WinRiver回放軟件所產(chǎn)生的ASCII碼文本文件中，表頭內(nèi)容包括用戶設置的參數(shù)（水深單元尺寸、換能器下盲區(qū)長度、水深單元個數(shù)等）、當前剖面的信號數(shù)據(jù)（時間、溫度、有效單元格）、當前剖面的平均流速分量、測深數(shù)據(jù)等、跟蹤軌跡數(shù)據(jù)、GPS導航數(shù)據(jù)、流量信息。這些信息中存在虛假深度單元剖面值，也就是儀器將所設置量程范圍內(nèi)的深度都給計算出流速剖面值，包括了實際水深以外區(qū)域的數(shù)值。為了確認有效水深內(nèi)的數(shù)值，需要根據(jù)每個剖面的有效單元格，確定該剖面的所有有效分層單元數(shù)。這些有效分層單元數(shù)的流速和流向數(shù)據(jù)是有效的，其他都是無用數(shù)據(jù)和偽劣數(shù)據(jù)，應予以刪除。

2.5 利用ADCP測量內(nèi)陸核電廠址河段懸沙濃度分布剖面的展望

本次河段懸沙濃度的測量采用的是傳統(tǒng)的水樣本方法，即利用橫式采樣器在若干代表垂線上，泊船分層采集水樣，經(jīng)實驗室分析后推算整個斷面的含沙濃度，其局限性是工作量大，耗資巨大，且只能獲得單點懸沙濃度數(shù)據(jù)，在剖面上的同步較差、數(shù)據(jù)的空間分辨率較低。

懸沙濃度的觀測還有另外一種方法，即先進聲學儀器觀測法。為測定流速而設計的ADCP，除了可獲得三維的流速剖面數(shù)據(jù)外，其輸出數(shù)據(jù)中還含有聲學的濁度或懸沙濃度信息，其測量結(jié)果可達到專用懸沙測量儀器的精度。自20世紀90年代以來，利用ADCP聲波的背向散射強度進行河流段面的懸沙濃度的估測，取得了不錯的效果。當然，由于受泥沙粒徑、水中微生物、氣泡等多種因素的影響，不同內(nèi)陸核電廠址附近河道往往具有特定的聲學特性剖面，其聲學特性一般要通過現(xiàn)場實測獲得。在實際運用中，同時采用傳統(tǒng)的6點取水樣本法和ADCP背散射測定法進行不同水情下的懸沙濃度測量，進行背向散射強度與含沙量之間的率定與比較，建立它們之間的關系。ADCP背向散射強度與含沙量濃度關系的標定大都采用線性回歸的方法或者分段線性回歸方法，對特定的觀測系統(tǒng)建立特定的回歸模型，從而得到水體懸沙濃度分布剖面。

采用先進聲學儀器觀測法測得的懸沙濃度空間上連續(xù)，對于提高核電廠址可行性研究階段岸灘穩(wěn)定性和溫排水、低放廢水數(shù)模計算、物模試驗的精度大有幫助，在今后內(nèi)陸核電廠址水文觀測中可以嘗試運用，不斷總結(jié)經(jīng)驗。

4 結(jié) 語

ADCP是一種先進的水文測量設備，對水體進行剖面測量無干擾，測量工作量小，可用走航式測量計算流量，用聲波的背向散射強度進行相關回歸處理得到水體懸浮泥沙濃度剖面，因此ADCP在內(nèi)陸核電廠址水文觀測中有廣泛的應用前景，特別在復雜的地形、水文條件（如暴雨洪水時）下具有不可替代的應用價值。當然ADCP在不同內(nèi)陸核電廠址水文觀測中的應用方式、測驗參數(shù)的選擇、計算參數(shù)的確定、后續(xù)數(shù)據(jù)的處理都會有所不同，應具體問題具體分析，以提供符合精度要求的水文觀測數(shù)據(jù)。