杜興強(qiáng)　秦凱　楊成　包小鵬

摘要：傳統(tǒng)流量測(cè)報(bào)方法受工程調(diào)度、水位流量以及測(cè)驗(yàn)斷面形態(tài)等因素的影響，存在測(cè)量效率低下、施測(cè)誤差較大等問(wèn)題。通過(guò)近幾年對(duì)湖北高壩洲水文站流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的探索、實(shí)踐、改進(jìn)和完善，采取新建H-ADCP監(jiān)測(cè)臺(tái)、改進(jìn)儀器安裝方式、升級(jí)設(shè)施、優(yōu)化流量率定和計(jì)算過(guò)程等措施，該站實(shí)現(xiàn)了高精度在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)汛。應(yīng)用實(shí)踐表明：通過(guò)流量在線監(jiān)測(cè)可獲得河道流量的變化過(guò)程，大幅提高了水文成果精度，同時(shí)降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于水文監(jiān)測(cè)信息化創(chuàng)新實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：流量測(cè)驗(yàn);流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè);H-ADCP;高壩洲水文站;湖北

中圖法分類號(hào)：P332.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.004

1水文站概述

清江屬于長(zhǎng)江的一級(jí)支流，發(fā)源于湖北省恩施州利川市之齊岳山，流經(jīng)利川、恩施、宣恩、建始、巴東、長(zhǎng)陽(yáng)宜都等7個(gè)縣市，在宜都陸城匯人長(zhǎng)江，全長(zhǎng)423kmo高壩洲水文站位于清江下游，屬于國(guó)家基本水文站網(wǎng)，清江河口流量控制站，流域面積約16700km？l。高壩洲水利樞紐工程（以下簡(jiǎn)稱“高壩洲工程”）位于高壩洲水文站上游約2km，見(jiàn)圖1。

該站流量施測(cè)主要受以下3個(gè)方面影響：①高壩洲工程調(diào)度頻繁，一次來(lái)水過(guò)程僅持續(xù)0.5～2h，而采用傳統(tǒng)的纜道轉(zhuǎn)子式流速儀法施測(cè)流量，歷時(shí)約1.5h。②長(zhǎng)江宜昌水文站在汛期流量達(dá)15000m/s時(shí)，開始受回水頂托影響，呈現(xiàn)“同水位下流量差異極大、不同水位而流量相同”的特點(diǎn)，水位流量無(wú)關(guān)系可循，斷面流場(chǎng)紊亂，傳統(tǒng)流速儀施測(cè)流量誤差較大。③測(cè)驗(yàn)斷面呈“W”形，起點(diǎn)距80～159m之間有長(zhǎng)約1000m、寬約79m的卵石洲，卵石洲順河勢(shì)呈“7”形，從上游約600m開始延伸至下游約400m處，將水流分成兩股。一般情況下，右漢常年通流;水位上漲至39.50m時(shí)，左漢開始通流。

近30a來(lái)，高壩洲水文站測(cè)驗(yàn)工作受上游水利工程、汛期長(zhǎng)江回水頂托以及所處的河道地形與大斷面形狀等影響，斷面流量變化過(guò)程難以測(cè)到、測(cè)準(zhǔn)，給水文資料收集、報(bào)汛以及整編工作帶來(lái)了較大困難，亟待探索一種新的流量測(cè)驗(yàn)方式。

2流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用情況

水平多普勒流速剖面儀（H-ADCP）可實(shí)現(xiàn)在儀器安裝位置一定范圍內(nèi)的多點(diǎn)流速施測(cè)，操作方便、快速高效、穩(wěn)定可靠2。2009年，H-ADCP應(yīng)用于高壩洲水文站，并開始探索自動(dòng)化流量監(jiān)測(cè)。

2009年5月，綜合考慮測(cè)驗(yàn)斷面的形狀和水流狀態(tài)，在測(cè)驗(yàn)斷面左岸緊貼岸邊修建了1座垂直滑道型混凝土H-ADCP試驗(yàn)監(jiān)測(cè)臺(tái)，如圖2所示。支架位于起點(diǎn)距30.0m處，頂部通過(guò)棧橋與站房連接，在垂直支架上安裝軌道，使用滑輪調(diào)節(jié)水下H-ADCP至代表高程點(diǎn)的位置;使用卡鉗裝置將H-ADCP緊固于軌道上，防止其授水流沖擊而發(fā)生抖動(dòng)。

流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Q-MONITOR流量通軟件，最小單元長(zhǎng)度設(shè)置為0.50m，最大剖面范圍為90.00m，盲區(qū)1.00m，單元數(shù)量180個(gè)，鹽度0，采樣時(shí)間間隔60s，數(shù)據(jù)平均時(shí)段30s。

H-ADCP測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試完成后，使用轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果比較。通過(guò)建立各水情條件下流速儀實(shí)測(cè)斷面平均流速與H-ADCP指標(biāo)流速V指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系模型，基于水位插補(bǔ)水道面積計(jì)算流量，并確定測(cè)驗(yàn)誤差3。

（1）當(dāng)水位在39.75～42.22m范圍時(shí)，儀器安放在高程39.59m處，V指標(biāo)采用1～25區(qū)間回放值，得到流量關(guān)系式為

（2）當(dāng)水位在42.10～48.91m范圍時(shí)，儀器安放在高程41.81m處，V指標(biāo)采用5～20區(qū)間回放值，得到流量關(guān)系式為

式中，Q為流量，m/s;V指標(biāo)為指標(biāo)流速，m/s;A為斷面面積，m？。按照每年汛前實(shí)測(cè)大斷面點(diǎn)繪水位一面積曲線，摘取多個(gè)水位一面積節(jié)點(diǎn)用于H-ADCP流量計(jì)算;當(dāng)斷面發(fā)生沖淤變化時(shí)，及時(shí)施測(cè)大斷面并更新水位一面積關(guān)系。流量摘錄時(shí)，計(jì)算全部指標(biāo)流速V指標(biāo)對(duì)應(yīng)的流量。經(jīng)過(guò)各種水流條件下的比測(cè)和分析，其流量單次偏差計(jì)算、總體樣板誤差分析結(jié)果等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求4，具體見(jiàn)表1～2。

高壩洲水文站成功實(shí)現(xiàn)了流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，有效監(jiān)測(cè)了流量的變化過(guò)程，大幅提高了水文成果精度，同時(shí)也降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行和實(shí)踐，H-ADCP流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擴(kuò)大流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)的水位范圍、提高監(jiān)測(cè)成果精度以及全面實(shí)現(xiàn)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化計(jì)算等方面還需要改進(jìn)和完善。

3.1新建H-ADCP監(jiān)測(cè)臺(tái)

當(dāng)水文站水位處于小于39.50m的低水位級(jí)時(shí)，河道分為兩漢，左漢為死水，右汊常年通流。在前期H-ADCP在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)，上，2017年初在右岸基上457m新建了1座H-ADCP監(jiān)測(cè)臺(tái)5，，如圖3所示。將H-ADCP直接安裝到右岸主洪道區(qū)——投影到該斷面的起點(diǎn)距約為240m，使斷面主流區(qū)、深泓區(qū)等主要水流包含在H-ADCP換能器測(cè)速剖面（從右岸往左岸）范圍內(nèi)，測(cè)得的流速具有更好的代表性，在線監(jiān)測(cè)的水位范圍更大。

3.2改進(jìn)儀器安裝方式和升降設(shè)施

儀器在水中測(cè)量時(shí)，受水力沖擊影響，難以控制水下測(cè)量姿態(tài)角度的穩(wěn)定性，縱搖、橫搖在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生變化，測(cè)量精度受到影響。實(shí)踐表明，儀器安裝位置采用“凹槽式”設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4）可降低水流對(duì)儀器的沖擊，有效解決儀器在水下測(cè)量時(shí)姿態(tài)角度的穩(wěn)定性問(wèn)題。

通過(guò)改進(jìn)H-ADCP升降設(shè)施，加裝轉(zhuǎn)動(dòng)輪，采用軌道式電力自動(dòng)升降替代原人工手搖式。當(dāng)汛期暴雨過(guò)程中雜草、樹枝、膠帶等異物易纏繞儀器時(shí)，或因其他原因造成儀器故障而不能正常工作期間，使用軌道式電力自動(dòng)升降設(shè)施，使對(duì)儀器的維護(hù)工作更便捷、安全，同時(shí)也增強(qiáng)了換能器上下升降過(guò)程中的穩(wěn)定性。

33優(yōu)化率定及計(jì)算過(guò)程

通過(guò)打破傳統(tǒng)率定時(shí)采用單一的一次或二次式公式推導(dǎo)的固定模式，基于V與V實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)，率定H-ADCP指標(biāo)流速V;與斷面平均流速Vn的曲線關(guān)系（見(jiàn)圖5）。采用類似水位流量單一曲線的方法，率定出V、V關(guān)系節(jié)點(diǎn)。通過(guò)符號(hào)、適線、偏離數(shù)值三項(xiàng)檢驗(yàn)以及誤差和不確定度等計(jì)算，確定了該方法率定精度更高，在多次不同水流條件下同步比測(cè)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)流量誤差接近為0。

改進(jìn)了指標(biāo)流速到斷面流量的計(jì)算過(guò)程。由指標(biāo)流速推算斷面平均流速，再由水位推算面積，最終推算出斷面流量的計(jì)算方式雖然簡(jiǎn)單，但累積數(shù)據(jù)量龐大，計(jì)算10d的數(shù)據(jù)需要大約2h，人工提取數(shù)據(jù)計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力。H-ADCP流量計(jì)算軟件可自動(dòng)計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)驗(yàn)的時(shí)間、水位、斷面面積、指標(biāo)流速平均流速和流量等各要素值（見(jiàn)圖6）。

4流量自動(dòng)報(bào)汛

流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括測(cè)量設(shè)備、數(shù)據(jù)接收端、數(shù)據(jù)傳輸通道水情數(shù)據(jù)中心以及提供數(shù)據(jù)查詢的PC端和移動(dòng)APP端。測(cè)量設(shè)備向水流中發(fā)射脈沖聲波，然后接收被水中顆粒物散射回來(lái)的聲波，轉(zhuǎn)換為指標(biāo)流速數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收端通過(guò)RS232或RS-422串口，直接接收測(cè)量設(shè)備采集的指標(biāo)流速并存儲(chǔ)。通過(guò)H-ADCP流量計(jì)算軟件將指標(biāo)流速自動(dòng)換算為流量成果數(shù)據(jù)，再利用服務(wù)提供商和用戶之間建立的專用線路，將H-ADCP數(shù)據(jù)獨(dú)立傳輸使用的移動(dòng)專線作為主信道，以Internet公網(wǎng)為備用通道將數(shù)據(jù)發(fā)射至水情數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了流量成果的自動(dòng)報(bào)汛。

通過(guò)PC端和移動(dòng)端APP登陸水情數(shù)據(jù)庫(kù)，可隨時(shí)查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水文成果數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了用戶通過(guò)APP隨時(shí)查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、及時(shí)了解最新水情的功能。

5結(jié)語(yǔ)

高壩洲水文站近幾年通過(guò)對(duì)流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的探索、實(shí)踐、改進(jìn)和完善，最終實(shí)現(xiàn)了高精度的流量在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)汛。流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)成功替代了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的纜道轉(zhuǎn)子式測(cè)流。改進(jìn)后的流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投產(chǎn)后，通過(guò)了各種水流條件下轉(zhuǎn)子式流量對(duì)比測(cè)驗(yàn)復(fù)核驗(yàn)證，結(jié)果表明：在線監(jiān)流量測(cè)精度高、成果可靠，且資料整理整編過(guò)程更簡(jiǎn)潔、高效。高壩洲水文站流量自動(dòng)測(cè)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)可為類似受水利工程影響下的流量測(cè)驗(yàn)提供參考借鑒。

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（編輯：李曉濠）