史向前

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

1 應(yīng)用背景

1.1 跨界河流水資源問題復(fù)雜敏感

我國陸上有15個(gè)鄰國，陸地國界總長約1.8萬km，其間廣泛分布著眾多的國際河流，水資源豐富，初步估計(jì)出入境水量達(dá)7500余億m3。國際河流在我國境內(nèi)的管理是我國水資源管理的重要方面，開發(fā)利用國際河流對(duì)穩(wěn)定周邊關(guān)系、維護(hù)國家權(quán)益、保障國家安全及發(fā)展邊疆經(jīng)濟(jì)具有重大意義。

由于全球性的水資源短缺問題蔓延[1- 2]，使得跨界河流水資源的開發(fā)、利用、保護(hù)與管理日益受到相關(guān)國家的高度重視，并已上升為一個(gè)敏感的政治問題，成為在處理與周邊國家外交關(guān)系時(shí)需要慎重對(duì)待的一個(gè)因素。我國大多地處國際河流的上游區(qū)，對(duì)國際河流的開發(fā)會(huì)直接影響到下游相關(guān)國家的利益。圍繞著國際河流開發(fā)利用問題[3]，我國與周邊有關(guān)的下游國如哈薩克斯坦、越南、印度以及湄公河委員會(huì)成員國等進(jìn)行了一系列的磋商與談判，與俄羅斯、朝鮮、孟加拉國的水文報(bào)汛和資料交換工作一直在進(jìn)行，與蒙古共和國之間的邊界水聯(lián)合委員會(huì)工作會(huì)議也在定期舉行。在目前的談判與磋商中，大部分問題都是圍繞水文領(lǐng)域展開的。跨界河流的水文報(bào)汛、水文資料交換、水文業(yè)務(wù)交流與合作已成為我國同周邊國家水資源合作的重要內(nèi)容，為維護(hù)國家利益和促進(jìn)睦鄰友好做出了積極貢獻(xiàn)。

為及時(shí)應(yīng)對(duì)跨界河流所面臨的問題，增強(qiáng)在跨界河流雙邊和多邊談判中的主動(dòng)性，2001年水利部水文局組織編制完成了《國際河流水文站網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》。依據(jù)規(guī)劃，對(duì)跨界河流進(jìn)行一至三期的水文站網(wǎng)建設(shè)，完善跨界河流水文站網(wǎng)布局，提高跨界河流水文監(jiān)測(cè)能力，有效地掌握監(jiān)控水量變化，增強(qiáng)水文測(cè)報(bào)信息的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

1.2 傳統(tǒng)水文作業(yè)方式不適合跨界河流水量監(jiān)控

建設(shè)初期，由于跨界河流水文設(shè)施無法建設(shè)，許多流量測(cè)驗(yàn)方法受到了限制，跨界河流水文站流量測(cè)驗(yàn)方式基本上都是船測(cè)。機(jī)動(dòng)測(cè)船裝配船控測(cè)流系統(tǒng)，懸吊測(cè)流儀多線定點(diǎn)施測(cè)[4- 5]。由于外方對(duì)我國界河水文站正常作業(yè)及測(cè)驗(yàn)維護(hù)等工作的干擾，致使流量測(cè)驗(yàn)等工作不能正常進(jìn)行，個(gè)別站點(diǎn)冬季測(cè)驗(yàn)工作也無法開展，使我方測(cè)驗(yàn)工作存在很大的安全隱患。急需利用現(xiàn)有先進(jìn)的技術(shù)裝備，改進(jìn)傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方式、以保證我方水文測(cè)驗(yàn)工作的正常開展以及作業(yè)安全。

1.3 現(xiàn)代化水量監(jiān)控技術(shù)設(shè)備日漸成熟

近年來，國內(nèi)外水文信息采集技術(shù)有了長足發(fā)展，自動(dòng)化水平大幅度提高。許多性能穩(wěn)定、可靠、精度較高的降水量、水位自動(dòng)采集設(shè)備在國內(nèi)外都得到了推廣應(yīng)用，如浮子式水位計(jì)、雷達(dá)式水位計(jì)以及氣泡式水位計(jì)等都已在水文遙測(cè)系統(tǒng)中普遍使用；非接觸式雷達(dá)測(cè)流儀、聲學(xué)多普勒剖面儀(ADCP)、電波流速儀等流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備也已在國內(nèi)外逐步得到推廣。水文數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳終端(RTU)的研制成功亦為降水量、水位信息的自動(dòng)采集、儲(chǔ)存與傳輸提供了技術(shù)支撐[6- 7]。

2 H-ADCP概述

2.1 監(jiān)控原理

H-ADCP即多普勒H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)超聲波測(cè)速換能器在水中向垂直于流向的水平方向發(fā)射固定頻率的超聲波，然后分時(shí)接受回波信號(hào)，解算多普勒頻移來計(jì)算水平方向一定距離內(nèi)多達(dá)128個(gè)單元的流速，測(cè)量的某一層流速作為指標(biāo)流速，將所測(cè)指標(biāo)流速與斷面平均流速建立相應(yīng)關(guān)系，再用水位算出過水面積，即可得到瞬時(shí)流量[8]?；驹砣缦?。

斷面流量等于斷面面積乘以斷面平均流速，即：

Q=A·V

(1)

斷面面積通?？杀硎緸樗坏暮瘮?shù)，即：

A=f(Z)

(2)

斷面平均流速可表示為某一指標(biāo)流速的函數(shù)，即：

V=f(Vn)

(3)

式中，Q—斷面流量；A—斷面面積；V—斷面平均流速；Z—水位或水深；Vn—指標(biāo)流速。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸

H-ADCP流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集終端(RTU)采集流速、流量、水位、工況等數(shù)據(jù)；系統(tǒng)工作體制為平安報(bào)、自報(bào)(段制需要設(shè)定)、加報(bào)(需要設(shè)定增量)和查詢應(yīng)答(召測(cè))工作方式；RTU支持遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程時(shí)鐘校準(zhǔn)；RTU每天0時(shí)自動(dòng)校時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一以服務(wù)器時(shí)鐘為準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)傳輸方式有4種：第一種，通過數(shù)傳電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜厮恼?，使測(cè)站管理、操作人員能及時(shí)看到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；第二種，通過GPRS傳送至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，信息中心將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析并輸出、發(fā)布；第三種，當(dāng)GPRS出現(xiàn)故障無法傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)啟用北斗衛(wèi)星終端(備用通道)將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；第四種，可以直接接到光纖網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng))傳輸至本地水文站和數(shù)據(jù)中心。H-ADCP流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

3 應(yīng)用示例

3.1 監(jiān)控?cái)嗝婵边x

鴨綠江在遼寧省區(qū)段為我國和朝鮮的界河，發(fā)源于長白山天池南麓，自北向南流經(jīng)吉林省長白鎮(zhèn)后折向西流，抵臨江鎮(zhèn)后轉(zhuǎn)向西南，過云峰、渭源、水豐水電站后流經(jīng)丹東市，最后注入黃海，總河長816km，河源至中朝國境線70.3km。鴨綠江在我國一側(cè)內(nèi)流域面積為3.2萬km2，在遼寧境內(nèi)的流域面積為11670km2，河長度241km。流域內(nèi)高山群立，水系發(fā)達(dá)，植被良好。主要支流有：渾江、愛河、蒲石河、大沙河等。

監(jiān)控?cái)嗝嫖挥邙喚G江流域下游，河段順直，水流穩(wěn)定。右岸上游1500m處有安平河匯入，上游41.3km處有水豐電站一座，上游12.3km處有太平灣電站一座。受水庫調(diào)節(jié)影響，水位變化較大。河段左岸地勢(shì)平緩，右岸坡度陡峭。河床底質(zhì)以砂卵石為主，斷面比較穩(wěn)定。平水期斷面平均水深在3m左右，洪水期水位變幅3～4m。監(jiān)控?cái)嗝婧拥椎匦吻闆r如圖2所示。其下墊面條件、水深條件、地形地勢(shì)非常適合H-ADCP建設(shè)安裝。

圖1 H-ADCP流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 監(jiān)控?cái)嗝婧拥椎匦?/p>

3.2 H-ADCP安裝調(diào)試

H-ADCP監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)置在監(jiān)控?cái)嗝嬗野?，換能器固定在距起點(diǎn)33.2m、高程8.60m處，同時(shí)能夠滿足低水位監(jiān)測(cè)需要，通過有線電纜連接，采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄Ｓ糜?jì)算機(jī)中，進(jìn)行控制與監(jiān)視。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，儀器表面水平指向?qū)Π?，且與水流方向垂直，儀器傾斜傳感器測(cè)量的縱、橫搖角度在軟件監(jiān)視下調(diào)整，確保在1°以內(nèi)[9-11]。目前H-ADCP的工作方式是連續(xù)測(cè)量，采樣時(shí)間間隔5min，收集的原始數(shù)據(jù)量較大，同時(shí)流速過程受到各種因素影響表現(xiàn)出波動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。儀器安裝配置專門的行車滑道，使H-ADCP上下行走定位，并能實(shí)現(xiàn)在水下制動(dòng)。安裝位置的基本原則是通過雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測(cè)水位，PLC接收水位數(shù)據(jù)，計(jì)算水深，根據(jù)水深自動(dòng)控制ADCP的升降，使H-ADCP處于相對(duì)水深0.6的位置，波束水平發(fā)射，既不出水面也不打到水底，保證大多數(shù)水情下的流量測(cè)驗(yàn)。安裝示意圖如圖3所示。

3.3 系數(shù)率定

根據(jù)H-ADCP的監(jiān)控原理，欲得斷面流量需建立H-ADCP實(shí)測(cè)的指標(biāo)流速與斷面平均流速的相應(yīng)關(guān)系，即所說的系數(shù)率定。實(shí)際工作中，按水位變幅采用流速儀法實(shí)測(cè)全斷面流量后，計(jì)算出相應(yīng)水位的斷面平均流速，同時(shí)用H-ADCP實(shí)測(cè)出指標(biāo)流速，二者建立相關(guān)關(guān)系。由于監(jiān)控?cái)嗝鏆v年水位流量關(guān)系穩(wěn)定，可不用實(shí)測(cè)直接應(yīng)用每個(gè)水位級(jí)的斷面平均流速，余下工作就是收集H-ADCP隨機(jī)水位級(jí)的實(shí)測(cè)指標(biāo)流速[12- 13]。

3.3.1H-ADCP指標(biāo)流速收集與處理

指標(biāo)流速數(shù)據(jù)采用2019年6月1日—10月31日之間收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由于每5min采集一次數(shù)據(jù)，4個(gè)月總計(jì)有3萬多條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大。數(shù)據(jù)量的增大在提高水文資料質(zhì)量的同時(shí)也增加了資料整理的難度?？刹捎镁喎治龇?，從大量的水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選出較少的測(cè)次來表達(dá)水文要素的變化過程，達(dá)到減少數(shù)據(jù)處理量，提高工作效率的目的。一般采用計(jì)算機(jī)摘錄的方法對(duì)資料進(jìn)行精簡處理。H-ADCP所測(cè)得的水文資料時(shí)間系列是不平穩(wěn)的，呈現(xiàn)各種各樣的特性，在資料整編前需要對(duì)其進(jìn)行平滑處理[14- 15]。一般采用小波分析法和均值法等，本次采用均值法進(jìn)行處理。

3.3.2建立指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系

數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理以后，整理出H-ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速成果，通過繪制相關(guān)圖，得出斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系為y=0.729x+0.249，R2=0.987，為線性關(guān)系，擬合度較高。二者相關(guān)圖如圖4所示。

圖3 H-ADCP測(cè)流系統(tǒng)安裝示意圖

圖4 H-ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)

4 結(jié)論與建議

(1)H-ADCP的應(yīng)用能及時(shí)測(cè)出河流流量等數(shù)據(jù)，同時(shí)減輕了值守人員的測(cè)驗(yàn)工作量，特別是針對(duì)受水利工程影響的監(jiān)控?cái)嗝?，在提高?shù)據(jù)精度方面有較大的優(yōu)勢(shì)。在日常測(cè)驗(yàn)工作中要加強(qiáng)H-ADCP運(yùn)行狀態(tài)的檢查和巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并予以排除，確保H-ADCP所測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。

(2)根據(jù)監(jiān)控?cái)嗝媲闆r、河流特性、水位變幅等測(cè)驗(yàn)條件，合理確定H-ADCP安裝位置、配置參數(shù)和比測(cè)方案，提高儀器的測(cè)驗(yàn)性能和工作效率。當(dāng)發(fā)生枯水或高洪等超出H-ADCP測(cè)驗(yàn)范圍時(shí)，應(yīng)做好補(bǔ)測(cè)工作。

(3)H-ADCP資料整編時(shí)，由于數(shù)據(jù)較多，同時(shí)流量成果比較散亂，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要采用合理的處理方法，同時(shí)應(yīng)結(jié)合測(cè)流情況使用多種整編方案，綜合運(yùn)用、互為補(bǔ)充，細(xì)化數(shù)據(jù)誤差分析，提高整編成果質(zhì)量。