H-ADCP在高州水文站的应用

孙正熙

摘 要：为解决受水利工程影响水文站的测流问题，提高测流的准确性，在高州（四）站引入H-ADCP进行在线流量监测。本文从水位、流速、流量3个方面进行了比测试验，试验结果符合规范，相较与传统测流方法能更准确的识别受水利工程影响的流量突变过程，为相同情况的水文站测流提供参考。

关键词：H-ADCP 比测试验 应用分析

高州（四）站为鉴江中上游控制站，近年来由于上下游电站发电情况复杂（电站扩容、人员调整等）、发电功率记录不清晰、闸门开关混乱等原因的影响，导致水文站需要投入大量人力物力来增加测流次数保证结果满足测站精度的要求。2017年10月，高州（四）站引进美国SonTek公司TRDI CM 600kHz型侧视式声学多普勒流速剖面仪，用于实时在线测流，并后续开始了比测工作。

1.高州（四）站基本概况

高州（四）站建于1946年9月，为收集鉴江干流中上游水文资料，结合流域开发、水质监测及水情需要而设，为国家重点站，属二类精度水文站。位于鉴江中游的高州城新桥上游45米处（即东经110°50′13.0″，北纬21°54′48.2″），集雨面积2905km2。主要测验任务有：水位、流量、泥沙、降水量。

高州（四）站基本水尺断面与测流断面为同一断面，主流偏于左岸，流向与断面垂直，右岸滩地约占河床的三分之二。测验断面下游2—3km较为顺直，上游约400米处有弯道且有沙洲。站舍及水位自记台设在基本水尺断面（兼上比降断面）的左岸。主流偏于左岸，右岸滩地约占河床的2/3，滩地上种植疏菜，沙质河床。基本水尺断面上游约5km处有秧地坡拦河坝一座，下游约2km处有红荔电站拦河坝一座，受上下游拦河坝闸门启闭及发电影响，测验河段水位在27.00-29.00m波动，流量变化频繁、急剧，对流量测验影响较大。

2.比测试验

2.1 H-ADCP测流基本原理

假定水体中颗粒物与水体流速相同，当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率低，发射频率与回波频率存在差值，差值确定：

2.2 仪器安装位置选择

经断面稳定性分析和断面流速分布分析，确定基本水尺断面兼流速仪测流断面比较稳定，

受下游电站调控影响，若无清淤、防汛、河道施工等特殊情况出现，高州（四）站仪器安装断面水位稳定在27.00-29.00m，考虑仪器波束距离的纵横比（1：40），综合实际安装情况，最终选择距离左岸18.7m，高程25.80处安装仪器。

2.3率定期间的水文情势

高州（四）站上游流域2018年1月～2018年8月降水总量为1187.5mm，其中2018年1月～5月降水量较少，其他各月均有较大的降水过程，在2017年9月1日出现了率定期间最大洪水，洪峰水位为28.63m，洪峰流量为1010m3/s，水位变幅为0.60m。

3.资料分析

3.1水位比测分析

本次比测分析洪水期选用率定期间2017年9月1日至2017年9月2日洪水的水位数据进行水位比测， 平水期2017年5月26日至5月27日的水位，进行水位比测分析。

经比较，在平水期波束水位合格率为100%，洪水期召测水位合格率为98%，产生误差的主要原因在于TRDI的垂直波束水位并无静水装置，压力水位在平水期和洪水期与召测水位均有较大差距。因此，在整编时采用外部召测水位，在自记水位计故障期间，采用波束水位作为应急水位使用。

3.2代表流速与断面平均流速关系的建立和关系曲线的检验

断面平均流速与TRDI系统的瞬时指标流速代表流速两者建立关系。比较多项式拟合与单项式拟合，拟合效果有明显的提高，故采用多项式拟合。

本次率定测验工作共收集53个测次的断面流量实测数据及相应SL流量计数据。率定数据水位变化范围为26.34m-28.64m，实测流量变化范围为33.8m3/s-944m3/s，断面平均流速变化范围为0.054m/s-1.59m/s，对应SL指标流速变化范围为0.054 m/ s-2.29 m/s。断面平均流速V平均与SL瞬时指标流速VSL两者相关关系良好，如图1。

由图可知指标流速与断面平均流速的相关关系式为：

根据《水文资料整编规范》（SL 247—2012）要求，对该关系线进行精度分析及三种方法的检验（详见附表3）。结果如下：

标准差Se=7.3%，随机误差为14.6%≤18%，达到规范规定的精度要求；系统误差为-0.2%≤±3%，达到规范规定的精度要求。

（1）符号检验n=53 ，K=30（K为正号个数），u=0.82<1.15，认为合理，符号检验通过。

（2）适线检验：n= 53 ，不变换符号"0"次数为30 ，变换符号"1"次数为25，U=0.14<1.64。

（3）偏离数值检验：n=53，│t│=0.19<1.67，认为合理结果：上述三种方法对关系曲线的检验，均达到规范要求，认为定线正确。

3.3流量精度对比分析

选取2018年9月1日率定期间最大洪水，绘制临时曲线法推求与TRDI推算的两条流量过程线对比。从图2可以看出两种方法推求的流量过程差别较大，仅实测流量点较为接近。经过分析该洪水期间的召测水位，受下游电站调洪影响，洪水水位变幅仅0.60m，流量一直在发生突变，人工测流无法捕捉到这个突变过程，导致后续定线时连时序法无法反映这一突变过程。

月平均流量见表1，周期越长，相对误差较小，其中最小相对偏差-1.22%，

比較高州（四）站2018年1-8月临时曲线法推求与TRDI推算的总径流量，可看出两种方法推求得出的年径流量相差2.20%。（以两种方法推求的年径流量差值与临时曲线法推求年径流量的比值作误差计算）

4.结论

（1）H-ADCP是一种相对于传统测流设备较为先进的测流设备，它具有维护少，快捷、实时、准确的优点。对不同水流，特别是受水利工程严重影响的河流，H-ADCP的投入应用，将节省大量的人力物力；

（2）直接利用系统数据进行资料整编，减少了资料二次输入带来的错误，提高整编质量和工作效率；

（3）在各个流速级别，TRDI代表流速～断面平均流速关系通过各项检验，精度高，验证成果令人满意。

参考文献：

[1]蔡培青.几种主要测流方法的简述[J].数字化用户，2007（13）：107.

[2]谢志锋.化州（城）水文站新仪器H-ADCP的应用研究[J].珠江水运，2015（22）： 74-75.