黃士穩(wěn)，黃 健，邵加健，敖 謙，勞國民, 單 明,杜 鑫

(1. 浙江省水文管理中心，杭州 310000；2. 臨海水文站，浙江 臺州 318000；3.杭州愛賽藍特環(huán)境科技有限公司，杭州 310000)

1 概述

河流流量監(jiān)測是洪水預報和水資源計算的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是水文分析服務深化的重要手段。傳統(tǒng)流量監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，需要大量人力成本，隨著現(xiàn)代化流量監(jiān)測技術(shù)如超聲波時差法[1]、 電磁法、高性能視頻水面流速法、側(cè)掃雷達在線流量法[2]、點流速雷達在線流量法[3]、水平式ADCP在線流量法[4-5]在河流流量測量中的推廣及廣泛應用，按照小時或分鐘對河流水文要素進行實時監(jiān)測在大部分的河流斷面實現(xiàn)。

雖然隨著流量在線監(jiān)測技術(shù)手段不斷完善提高，越來越多河流斷面能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測，然而在部分特殊河道斷面，如受潮汐影響的大江大河的流量測驗中，在線監(jiān)測手段的成功應用仍然具備相當大的挑戰(zhàn)，一般采用水平式[6]、垂直式ADCP[7-10]的監(jiān)測方式進行監(jiān)測。本文以之江水文站在線流量測驗任務的嘗試及應用為例，探討浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在潮汐河道的流量測驗中的應用。

2 之江水文站概況

2.1 測站概況

之江水文站是經(jīng)國家水利部批準的全國首批國家重要水文站，位于富春江、浦陽江和錢塘江三江交匯下游3.5 km處、杭州市西湖區(qū)雙浦鎮(zhèn)外張村的錢塘江北岸，集水面積為41 769 km2，占錢塘江流域面積55 500 km2的75%。之江水文站上游干支流的主要水文測站有富春江電站( 集水面積為31 645 km2)、分水江水文站(集水面積為3 100 km2)和諸暨水文站(集水面積為1 719 km2)，區(qū)間面積為5 305 km2。

受感潮河段和上游電站的影響，流量級的劃分通過近幾年的實測數(shù)據(jù)分析得出。斷面流量在 7 000 m3/s 以下為低水流量，7 000～15 000 m3/s 為中水流量，15 000 m3/s 以上為高水流量。之江水文站基本斷面大斷面寬約1 km，呈現(xiàn)明顯的“U”型，斷面水深較深，之江水文站基本斷面如圖1所示。

圖1 之江水文站上游大斷面示意

2.2 測站流量監(jiān)測手段

之江水文站測洪設(shè)施有聞堰和袁浦兩座水位臺，主要測洪設(shè)備有浙水文01號等3艘機動測驗船、走航式聲學多普勒流速儀5套、定點式聲學多普勒流速儀5臺。日常測流完全采用聲學多普勒流速儀進行流量測驗，包含在聞堰水位臺和袁浦水位臺的定點式聲學多普勒流速儀施測的同時使用走航式聲學多普勒流速儀進行斷面流量實測，以尋求定點式聲學多普勒流速儀所測的部分流速與斷面平均流速之間的關(guān)系，并通過此關(guān)系進行推流。

備用測流方案為在之江大橋上游測得斷面，布置12 根垂線。通過電波流速儀測得表面流速， 乘以系數(shù)(比測系數(shù)為 0.76)得到測線平均流速， 在斷面左岸設(shè)置了水尺獲取水位數(shù)據(jù)。

之江水文站監(jiān)測斷面屬于典型的感潮及受水利工程影響的河段，且屬于通航航道斷面，斷面水深大，目前常規(guī)測流方案中的走航式聲學多普勒流速儀測量流量工作量大，安裝的定點式聲學多普勒流速儀僅能采集安裝點往外80 m的垂線數(shù)據(jù)，難以覆蓋到1 km斷面的中間位置，代表性較差，斷面的復雜性導致流量實時在線自動化監(jiān)測難度大。為了進一步研究完善之江水文站的流量自動化程度，在2020年，根據(jù)之江水文站斷面情況，引入1套浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)(見圖2)，作為流量監(jiān)測自動化能力的建設(shè)的有效補充。

圖2 之江水文站浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場示意

3 浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)工作原理

浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)以垂直式聲學多普勒傳感器(即ADCP)為核心傳感器， ADCP傳感器是根據(jù)聲波的多普勒頻移原理測量水體流速的。每個換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物(如泥沙、氣泡等漂浮物)散射回來的聲波，根據(jù)發(fā)射與回波的頻率差值進行流速流向計算。

(1)

式中：

fd——聲學多普勒頻移,kHz；

fδ——回波頻率,kHz；

v——顆粒物沿聲束方向的移動速度,m/s；

c——聲波在水中的傳播速度,m/s。

浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)以浮標體作為設(shè)備搭載平臺，配置一整套數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、錨鏈系統(tǒng)、警示系統(tǒng)，以垂直式ADCP為核心監(jiān)測傳感器采集投放點垂線的流速流向數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)桨痘乃木C合管理軟件平臺，接收平臺軟件對各層流速、流向進行算術(shù)平均求得垂線平均流速和流向，根據(jù)浮標式ADCP流速與走航式 ADCP 施測斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，推求出斷面平均流速，再根據(jù)當時水位查算斷面面積，得到整個斷面實時流量，實現(xiàn)了流量流速監(jiān)測管理的實時化、自動化、智能化，工作原理如圖3所示。

圖3 浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意

3.2 系統(tǒng)組成設(shè)計

1) 浮標體平臺

浮標體平臺是浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的搭載平臺，其性能設(shè)計優(yōu)良性一方面是保障流量傳感器采集流量數(shù)據(jù)的可靠性的基本要求，另一方面是保障流量監(jiān)測系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行的要求。之江水文站的浮標體監(jiān)測平臺是針對之江站大斷面的情況及近年來的水文水動力條件設(shè)計，一是考慮斷面寬度較大，潮流變化大，在設(shè)計上增加浮標平臺的尺寸，進一步增加浮標的穩(wěn)定性同時增加供電能力，二是進一步集成設(shè)計水下模塊及錨鏈設(shè)計，減少漂浮物掛載的影響，三是降低浮標重心，減少浮標的晃動。

2) 浮標配套系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用低功耗、耐腐蝕、故障率低的配件設(shè)備，對于重要的子系統(tǒng)采用雙保險系統(tǒng)，如本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器采用業(yè)界公認故障率最低的數(shù)采器，數(shù)據(jù)采用4G傳輸和本地固態(tài)儲存的雙保險方式。在錨系選擇上，根據(jù)本站的水質(zhì)情況及浮標重量、水流速度設(shè)計最優(yōu)的尺寸及強度，降低流速測量誤差。供電系統(tǒng)上根據(jù)浮標搭載傳感器及設(shè)備的電量功耗考慮極限陰雨天氣情況下的電量需求等。

4 浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)應用分析

4.1 系統(tǒng)安裝選點

1) 投放垂線確定

由于浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)僅能監(jiān)測投放點所在斷面垂線流速流向數(shù)據(jù)，即是利用垂線代表法[11]，系統(tǒng)的安裝位置的代表性對系統(tǒng)的成功應用具有重要的意義，為了能夠選取具備代表性的垂線位置，在投放前進行現(xiàn)場的走航勘測，將大斷面按從左岸(測船停靠位置為0點)到右岸的直線距離分別取80 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、550 m、600 m、650 m、700 m，共計劃分成13條垂線，分別提取走航ADCP所測29個測次的以上13條不同垂線處的平均速率，并同斷面平均流速做相關(guān)性分析，得到13組垂線分析關(guān)系線(如圖4所示)。

圖4 13條垂線的分析示意

從圖4分析不同垂線與斷面平均流速的相關(guān)系數(shù)，通過對相關(guān)系數(shù)和河道通航情況的分析可知直線距離350 m和600 m兩條垂線流速同斷面平均流速相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)性最好，但考慮到350 m位置為通航航道，為了保證航道的通暢性及儀器設(shè)備的安全性，最終確定直線距離為600 m的垂線為最優(yōu)投放垂線。

2) 投放垂線驗證

在設(shè)備正式投放前，在初步的垂線數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，兩次對600 m垂線位置進行再次驗證分析，一是對600 m垂線流速同平均流速進行相關(guān)性分析，二是對水位流速關(guān)系分析，即進行水位流速趨勢線分析，看水位流速趨勢線是否與實際情況一致。

流速關(guān)系分析： 從圖5可知，600 m垂線流速同斷面平均流速關(guān)系驗證，驗證發(fā)現(xiàn)600 m垂線流速同斷面平均流速相關(guān)系數(shù)達到0.936 4，與初步分析得到的相關(guān)關(guān)系一致，600 m垂線位置代表性較好。

圖5 600 m垂線流速關(guān)系線驗證分析示意

水位流速關(guān)系分析：在驗證過程中對兩次驗證過程的水位流速變化過程進行趨勢分析，并制作水位流速趨勢分布圖(見圖6)。

圖6 2020年11月26日之江站流速水位分析示意

從以上水位流速分布圖中可以看出，站點監(jiān)測斷面平均流速同水位漲落呈現(xiàn)相反的趨勢，600 m垂線流速同水位漲落呈現(xiàn)相反的趨勢，同時垂線流速同斷面平均流速具有一致的變化趨勢，以上表現(xiàn)完全符合潮汐河道的水文特性，浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的投放600 m垂線監(jiān)測的具有合理性及代表性，系統(tǒng)投放順利。

4.2 系統(tǒng)應用情況

從2020年11月投放應用至今，浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在之江水文站斷面的應用情況良好，既沒有影響到斷面的船只通航情況，系統(tǒng)一直在正常發(fā)揮流量數(shù)據(jù)采集任務，硬件設(shè)備表現(xiàn)優(yōu)秀，未有設(shè)備故障及維護情況，能夠穩(wěn)定滿足之江水文站的流量測驗任務需求。

4.3 系統(tǒng)應用成果

1) 率定關(guān)系線

系統(tǒng)穩(wěn)定投入運行后開始進行比測數(shù)據(jù)的采集，在2021年3月1日—2021年4月29日期間，采集到比測率定數(shù)據(jù)共61份，率定期間水位變化范圍4.55～5.97 m，流量變化范圍為-7 760～5 400 m3/s?；诮刂沟?021年5月的比測數(shù)據(jù)初步分析，斷面的平均流速和代表流速的相關(guān)關(guān)系好(見圖7)，浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在本站投放應用很成功。后續(xù)需要嚴格按照《水文資料整編規(guī)范》進行更長時間的比測驗證，確保浮標式ADCP監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖7 2021年之江站浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)初步率定分析關(guān)系線示意

浮標流量監(jiān)測系統(tǒng)投放安裝應用后，無間斷提供監(jiān)測站位的流速流向數(shù)據(jù)，截止到2021年5月6日，共采集到的流量數(shù)據(jù)35 582條，且流量數(shù)據(jù)跟水位關(guān)系良好，浮標的能夠滿足水位的變動需求，且變動的趨勢變化符合潮汐河道的變化特性。

從平臺的水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布示意來看(見圖8)，之江水文站水量分布符合河流水文變化規(guī)律，進入汛期后水量明顯增加(11月數(shù)據(jù)未能夠采集完全，圖中省略)。

圖8 之江水文站每月水量統(tǒng)計分布示意

5 結(jié)語

通過浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在之江水文站應用可知，本系統(tǒng)穩(wěn)定性先進性好，能夠?qū)崿F(xiàn)此類寬闊潮汐河流斷面流量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，大大減輕水文站工作人員的勞動強度。相對于座底式的垂直式測流系統(tǒng)，浮標式系統(tǒng)具有能夠適應水位變動、安裝維護較為方便、無淤積影響等特點[12]，可應用范圍更廣。

總結(jié)之江站的浮標式流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功應用經(jīng)驗，得知為了獲取較好的應用成果，浮標式流量監(jiān)測系統(tǒng)的投放建設(shè)需要重點考慮兩個關(guān)鍵的因素，一是系統(tǒng)的投放垂線的選擇，必須選定具有代表性的投放垂線，以實現(xiàn)利用單條垂線數(shù)據(jù)獲得代表性良好的率定相關(guān)關(guān)系線，可以在投放前提及初期多次進行垂線的選取及驗證操作，保證投放位點符合要求；二是系統(tǒng)的性能保障維持，浮標系統(tǒng)運行于靠近航道位置，需要謹慎考慮包括系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等，一般建議進行定期的檢查及維護，保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。