李明宏，王培霞

（1.嵊州水文站，浙江 嵊州 312400；2.常山水文站，浙江 衢州 324200）

1 問題的提出

嵊州水文站 （以下簡(jiǎn)稱 “嵊州站”）是曹娥江的控制站，集水面積2 280km2，1994年因上三高速建設(shè)需要，由下游1.0km處嵊縣 （二）站遷建。測(cè)站附近相繼有澄潭江、新昌江、長(zhǎng)樂江、黃澤江4條支流匯入。為綜合開發(fā)利用水資源，2000年，測(cè)站下游1.2km處建成了艇湖水利樞紐。受水利工程的影響，嵊州站無(wú)法利用傳統(tǒng)的水位—流量關(guān)系推算瞬時(shí)流量，對(duì)防汛抗臺(tái)和水文資料整編帶來(lái)了困難。為解決這一難題，2008年初引進(jìn)安裝了美國(guó)SonTek公司側(cè)視式Argonaut－SL500聲學(xué)多普勒流速剖面儀，經(jīng)過這些年的使用，已在防汛、水文測(cè)驗(yàn)、資料整編中發(fā)揮了重要作用。

2 ADCP在嵊州站的應(yīng)用

2.1 儀器選擇

ADCP是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量流速的。目前SonTek有H－ADCP（側(cè)視式）、V－ADCP （坐底式）、手持式、走航式等流速儀，H－ADCP（側(cè)視式）共有3種型號(hào)：SL3000、SL1500、SL500。嵊州站下游橡皮壩蓄水時(shí)水面寬為178.0m左右，堤壩坡腳處水深為3.3m左右，斷面最深處水深超過5.0m。根據(jù)河道斷面特性以及儀器性能，選用了SonTek－SL500型儀器，其測(cè)量范圍在1.5～120.0m；流速測(cè)量范圍±6m／s，分辨率0.001m／s，準(zhǔn)確度為測(cè)量流速的±1%；水位測(cè)量范圍0.4～18.0m，準(zhǔn)確度：±0.1%，±0.6cm；輸入電源7～15VDC、功耗1.0～1.3W；4MB內(nèi)置存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)50 000多個(gè)樣本。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸選用YR3000遙測(cè)終端設(shè)備，SL5000通過R232接口與YR3000遙測(cè)終端連接，將5min間隔的流速數(shù)據(jù)直接發(fā)送到浙江省水情信息平臺(tái)。

2.2 儀器安裝

嵊州站位于曹娥江左岸，河道斷面呈梯形，兩岸采用塊石和混凝土護(hù)坡，坡面比較平整。儀器安裝在斜拉式行車上，在坡面上固定滑道，滑道上方安裝壓板，防止行車脫軌。根據(jù)該站斷面資料以及水位變幅情況，確定儀器安裝在離坡腳1.0m高程以上，接近常水位，相對(duì)水深0.6m左右的位置上，并在滑道底部安裝固定擋板，防止行車下滑。由于曹娥江上游為山區(qū)性河流，洪水時(shí)水草、樹枝、塑料袋等漂浮物較多，所以行車采用鋼絲繩上下牽引，便于儀器日常維護(hù)和清理水草青苔等雜物，并在整個(gè)滑道外圍澆筑混凝土保護(hù)箱，上方安裝不銹鋼門，保證滑道不受漂浮物影響，能上下牽引行車，并防止人為破壞設(shè)備。嵊州站斜拉式多普勒安裝示意見圖1。

圖1 嵊州站斜拉式多普勒安裝示意圖

全套安裝附件全部采用304不銹鋼材料制作，防止腐蝕。為保證ADCP主機(jī)連續(xù)正常運(yùn)行，設(shè)備采用蓄電池供電，外接太陽(yáng)能電源對(duì)蓄電池充電。為防止主機(jī)受感應(yīng)雷影響，在太陽(yáng)能電源與蓄電池之間安裝了防浪涌避雷器。

2.3 斷面平均流速計(jì)算

受測(cè)驗(yàn)河段測(cè)速條件以及儀器測(cè)量范圍影響，嵊州站ADCP流速剖面儀只測(cè)量了起點(diǎn)距35～85m斷面的平均流速，并不能代表整個(gè)斷面的平均流速，需要測(cè)算該斷面平均流速與整個(gè)斷面平均流速之間的流速系數(shù)。根據(jù)該站45次轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)算得到的斷面平均流速與各測(cè)次相應(yīng)時(shí)間岸邊側(cè)視式ADCP測(cè)到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用Excel計(jì)算線性回歸曲線，確定斷面平均流速的計(jì)算公式為：y＝0.901 1x，式中：y為斷面平均流速 （m／s）；x為ADCP實(shí)測(cè)部分平均流速 （m／s），0.9011為流速系數(shù)，擬合優(yōu)度R2＝0.998 5，接近于1.000 0，回歸曲線關(guān)系可靠性較高 （見圖2）。

圖2 嵊州站多普勒線性回歸曲線圖

多普勒流速線性回歸曲線按照SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》的要求，進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)差為5.3%，隨機(jī)不確定度為10.6%，系統(tǒng)誤差為1.0%，檢驗(yàn)結(jié)果滿足 《水文資料整編規(guī)范》定線指標(biāo)的精度要求。隨機(jī)不確定度指標(biāo)受低流速時(shí)風(fēng)浪等各種因素影響，略微偏大，對(duì)45個(gè)樣本進(jìn)行了回歸曲線檢驗(yàn)（其中正號(hào)個(gè)數(shù)為23個(gè)，符號(hào)交換次數(shù)為29次），檢驗(yàn)成果見表1。

表1 嵊州站多普勒流速線性回歸曲線檢驗(yàn)成果表

2.4 ADCP在嵊州站的比測(cè)及使用情況

嵊州站遷建已經(jīng)20多年，期間實(shí)測(cè)最大水位變幅為5.2m，出現(xiàn)在1997年8月19日。SL 500 （ADCP）安裝后，與轉(zhuǎn)子流速儀比測(cè)的水位變幅為3.9m，占遷站后水位變幅的75%。

受SL 500（ADCP）儀器測(cè)量范圍及安裝位置限制，在上游來(lái)水量小、下游艇湖樞紐橡皮壩蓄水過程中，流速偏小，甚至出現(xiàn)負(fù)值，儀器測(cè)量的流速一般不宜采用，但蓄水時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)嵊州站年徑流量推算影響不大。嵊州站多年平均徑流系數(shù)為0.50，2010—2014年徑流系數(shù)分別為0.48，0.45，0.50，0.42，0.55，接近多年平均值，符合測(cè)站和流域特性。

ADCP在暢流期使用精度較高，特別是在洪水期，真正顯示了儀器的優(yōu)越性。嵊州站2014年8月ADCP測(cè)算的流量與流速儀測(cè)量的日平均流量平均相對(duì)誤差為6.3%，2套設(shè)備測(cè)得的流量過程比較吻合。2014年嵊州站年最大流量過程ADCP測(cè)算流量與轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)量過程線對(duì)比見圖3。

圖3 嵊州站ADCP測(cè)算流量與流速儀流量過程對(duì)比圖

3 在實(shí)際應(yīng)用中需要探討的幾個(gè)問題

ADCP多普勒流速剖面儀雖然提供了先進(jìn)的流量測(cè)驗(yàn)方案，但在儀器選型、安裝、使用中必須注意各個(gè)環(huán)節(jié)才能發(fā)揮儀器的優(yōu)越性。

（1）在采購(gòu)儀器時(shí)應(yīng)根據(jù)河道的寬度、水深、斷面形狀等特性，選擇符合測(cè)驗(yàn)河段的型式。當(dāng)河道水深能滿足儀器測(cè)量要求時(shí)，可以選擇側(cè)視式H－ADCP。當(dāng)水深較淺，斷面比較穩(wěn)定，無(wú)明顯沖淤影響的河道，可以選用坐底式V－ADCP。選擇好儀器型式后還應(yīng)根據(jù)測(cè)量范圍選擇合適的型號(hào)。

（2）儀器安裝時(shí)在考慮安裝牢固的情況下，做好儀器的保護(hù)裝置，便于管理維護(hù)。側(cè)視式H－ADCP在選擇安裝深度時(shí)，要了解測(cè)驗(yàn)地點(diǎn)的最低水位、水位變幅以及河床情況，通常安裝在稍高于最低水位與河底之間的中間位置。儀器探頭方向應(yīng)與水流方向垂直，并保持水平。安裝后應(yīng)將位置固定，不宜經(jīng)常改變，保證率定后的斷面平均流速計(jì)算公式穩(wěn)定。儀器安裝時(shí)還要考慮設(shè)備供電以及防雷設(shè)施，如果采用蓄電池供電，在電池上安裝電壓表，隨時(shí)觀察蓄電池電壓情況。

（3）斷面平均流速計(jì)算公式率定，應(yīng)有30次以上分布在各級(jí)流速的轉(zhuǎn)子流速儀或走航式多普勒實(shí)測(cè)資料，與對(duì)應(yīng)的H－ADCP實(shí)測(cè)部分平均流速建立關(guān)系，利用Excel進(jìn)行線性回歸分析。低流速時(shí)受風(fēng)浪影響較大，應(yīng)選擇風(fēng)浪影響小且有代表性的測(cè)次。斷面平均流速計(jì)算公式率定后，每年應(yīng)選用新的實(shí)測(cè)點(diǎn)子對(duì)流速系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

（4）H－ADCP多普勒流速剖面儀提供的是部分流層的斷面平均流速，不能直接測(cè)量斷面流量，必需經(jīng)過流速系數(shù)換算成斷面平均流速，再借用大斷面資料才能推算出斷面流量：Q＝AV，式中：Q為斷面流量 （m3／s），A為斷面面積 （m2），V為斷面平均流速 （m／s）。所以在斷面發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)測(cè)量水道斷面，計(jì)算斷面面積，以減少因斷面面積變化所帶來(lái)的流量誤差。 （5）當(dāng)流速小于0.01m／s時(shí)，ADCP多普勒流速剖面儀測(cè)流存在流速誤差較大的問題，特別是在水道斷面面積大、流速小、風(fēng)速大的測(cè)量條件下，表層水流受風(fēng)力影響，ADCP測(cè)量的流速和實(shí)際的流速不相符，所以在儀器安裝和設(shè)置儀器采樣單元結(jié)束 （CellEnd）參數(shù)時(shí)，要考慮采樣單元結(jié)束時(shí)儀器發(fā)射波的最高位置和水流表面的距離，盡量減少風(fēng)速對(duì)流速產(chǎn)生的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

ADCP聲學(xué)多普勒流速剖面儀的應(yīng)用，既解決了嵊州站受水利工程影響，利用傳統(tǒng)的水位—流量關(guān)系推算日平均流量，在水文資料整編中困難的實(shí)際問題，又能通過軟件處理實(shí)時(shí)、在線地監(jiān)測(cè)流速 （流量）信息，為防汛抗旱決策提供科學(xué)依據(jù)，還大大減輕了轉(zhuǎn)子流速儀流量測(cè)驗(yàn)方案帶來(lái)的工作強(qiáng)度，為推進(jìn)水文數(shù)字化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

［1］水利部水文局.SL 337—2006聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范 ［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［2］水利部水文局.SL 247—2012水文資料整編規(guī)范 ［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［3］陳錫林.Argonaut－SL聲學(xué)多普勒流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究 ［J］.水利水電快報(bào)，2003（增刊）：1－9.

［4］張?jiān)：?聲學(xué)多普勒流速儀在浙江水文中的應(yīng)用 ［J］.水文，2010 （1）：51－55.