走航式ADCP在防洪应急抢测中的应用与分析

（安徽省宿州水文水资源局 宿州 234000）

1 引言

随着水文监测改革的不断深入，对先进仪器的使用和推广提出更高要求，走航式ADCP作为目前最先进的测流仪器之一，具有测流时间短、操作简便、精度高等特点，为水文勘测队的巡测和应急抢测提供有利的技术保障。宿州水文局作为安徽省水文监测改革试点单位，成立了宿州和淮北水文勘测队，以巡测、驻测、应急监测和购买服务相结合的水文监测管理模式，实现对测区内各类水文监测站点的水文要素实行监测。

本文按照巡测方案要求，采用走航式ADCP和传统的转子式流速仪进行应急抢测与比测，并对两种测流仪器的精度和效率进行分析。通过曼宁公式反算糙率，建立了水位糙率经验模型公式，对特征水位下的流量进行推求，为水文监测改革提供技术支撑。

2 测区概况

宿州水文局共划分为3个测区，分别为宿州水文勘测队、淮北水文勘测队和灵璧水文勘测队，目前宿州、淮北水文勘测队已运行，灵璧水文勘测队待审批。

宿州水文勘测队测区范围为埇桥区行政区域范围，面积约2868km2。测区内现有3个基本水文站、3个中小河流防汛专用水文站、4个水位站、22个雨量站、25个国家地下水位站、10个水质监测断面、2个人工墒情站和2个自动墒情站。

淮北水文勘测队测区范围包括淮北市的三区一县（相山区、杜集区、烈山区、濉溪县）及宿州市的萧县和砀山县，面积5819km2。测区内现有4个基本水文站、2个水位站、3个中小河流防汛专用水文站、4个防汛专用水位站、65个雨量站、71个国家地下水位站、23个水质监测断面、7个人工墒情站和10个自动墒情站。

灵璧水文勘测队测区范围为灵璧县和泗县行政区域范围，面积约3841km2。测区内现有3个基本水文站，1个基本水位站、2个防汛专用水位站，40个雨量站，28个国家地下水位站，13个水质监测断面，3个人工墒情站和4个自动墒情站。

3 ADCP测流基本原理

3.1 ADCP测流原理简介

ADCP是专用于测量断面的水流速度和方向的声学设备。ADCP 向水中发射固定频率的声波短脉冲，这些声脉冲碰到水中的散射体（浮游生物，泥沙等）将发生散射。被散射体反射回的声波被ADCP接收到，当散射体有相对运动，其反射的声波在频率上有一定的变化（频移）（即多普勒效应），ADCP接受回波信号并分析处理频率变化，得到流速。

在使用时，ADCP将从上到下的整个水柱划分成若干个深度单元；走航过程中，一台ADCP相当于许多台单点流速仪，发生很多波束（测量很多的水柱）；从每个波束接收到的回波信号可分别得到各深度单元的水流东向、北向和垂向速度分量。各个深度单元的流速数据组合成流速断面。

3.2 ADCP流量测验注意事项

3.2.1 参数设置

ADCP最好在很长时间不用或者仪器出现异常的时候，再进行自检。自检可以使用BBtalk软件或者是测流软件中自带的自检功能。盲区的设置应不小于厂商推荐的最小盲区。比如换能器入水深度不能小于0.06m，要根据实际使用情况确定。深度单元尺寸（WS）应不小于设备允许的下限，深度单元数（WN）不超过设备允许的上限，同时WS·WN≥最大水深。岸边流量的估算，应正确选用岸边流速系数。岸边流速系数α值选取见表1。

3.2.2 测流过程

使用ADCP测流时要严格按照声学多普勒流量测验规范，操作需注意以下几点：（1）各测次的起始点和终点都必须在断面上并保持固定，找出两岸有效深度单元等于2的位置，并做标记，表示断面流量开始、结束的位置。（2）在左岸和右岸最少有2个有效深度单元处有流量数据的地方，停在此处保持稳定，等待岸边的10个数据被记录，目的是提高在两岸边测流盲区估算流量的精度。（3）测船横渡速度宜接近或略小于水流速度。（4）左、右岸边距要实测，可采用测距仪或者简易绳尺。（5）流量相对稳定时，应进行两个测回断面流量测量，取均值作为实测流量值。（潮）流量在短时间内变化较大时，可适当减少测回。一般宜完成一个测回，特殊情况可只测半测回，但应作出说明。

表1 岸边流速系数α值选取表

4 应用与分析

4.1 走航式ADCP在应急抢测中的工作效率和精度分析

受台风“温比亚”影响，宿州、淮北两市2018年8月18～19日出现特大暴雨。本文以“温比亚”台风引起的大洪水为契机，分别采用走航式ADCP和传统的转子式流速仪对中小河流防汛专用水文站进行应急抢测，并在有测流缆道的基本水文站进行同步比测（流速仪用缆道测流，走航式ADCP采用第二套测洪方案在桥上测流），走航式ADCP在应急抢测中的工作效率见表2，走航式ADCP与流速仪比测结果见表3。

从表2可以看出，随着流速仪测流垂线越多，二者的测流历时差距越大。当水面宽相近时，走航式ADCP测流时间比流速仪测流时间少两倍多。从操作人数上看，走航式ADCP测流需要2人，流速仪测流需要3人，走航式ADCP比流速仪操作简便，更符合应急抢测的要求。由表3可知，在团结闸闸上交通桥用走航式ADCP测得流量为1170m3/s和1110m3/s，在闸下游750m缆道测流断面用流速仪测得流量为1180m3/s和1090m3/s，两次比测流量误差为0.85%和1.8%，而在符离集闸水文站比测流量误差为0.3%，比测结果误差符合规范限差，走航式ADCP测流符合精度要求。可见，在实际应急抢测中，采用走航式ADCP进行测流是切实可行的。

图1 流量测验断面图

图2 水位与糙率拟合曲线图

4.2 水位流量关系系列的延展

4.2.1 水位糙率曲线拟合

本文以中小河流防汛专用水文站淮纺闸为例，根据流量测验规范，所选测流断面位于淮纺闸下游2km濉河路桥，河面宽阔，河道顺直，河道水流基本稳定。由于河道近期已重新治理，测流断面形状为较规则的倒梯形，河槽为卵砾质河床，河岸为粉砂质土质，有茂盛植被覆盖，流量测验断面见图1。

根据“温比亚”台风引起的洪水实测流量资料，下游最高水位出现在8月19日，对应的最大流量为588m3/s，实测最低水位出现在8月24日，对应实测流量为101m3/s，此最高最低水位是同一个洪水过程。遴选洪水过程中较具代表性的一组水位—流量数值，利用曼宁公式反算糙率值n，计算结果见表4。

由上述计算结果，建立水位—糙率关系，并对实测点进行指数函数曲线拟合，拟合曲线见图2。

拟合方程为：n=94.18e-0.273h

相关系数为：R=0.93

由拟合曲线对实测水位下的糙率进行计算，进而计算流量，将计算流量和实测流量进行对比。例如实测水位H测=32.01m，通过拟合曲线计算糙率n=0.01509，计算流量Q计算=451m3/s，而实测流量为Q实测=435m3/s，二者误差为3.7%，误差符合水文规范限差。拟合曲线的相关系数R=0.930，说明水位与糙率相关性很强，证明样本拟合曲线和实际曲线的相似性良好。

表3 走航式ADCP与流速仪比测结果表

表4 糙率计算过程表

4.2.2 水位流量延展

此次“温比亚”台风引起的大洪水在测流断面最高水位为32.47m，最低水位为28.91m。经过水文调查，测流断面河道保证水位为33.04m，通过糙率模型计算得洪峰流量Q洪=772m3/s。对照规划设计资料，保证水位下最大流量为807m3/s，与计算的洪峰流量误差为4.3%，误差符合水文规范要求。可见，采用水位糙率曲线对特征水位下的流量推算是切实可行的，从而达到水位流量关系系列延展的目的。

5 结语

本文以“温比亚”台风引起的大洪水实测流量资料为基础，采用走航式ADCP和传统的转子式流速仪进行应急抢测与比测，结果表明走航式ADCP测流时间短，操作简便，精度符合规范要求，更适用于测区的巡测和应急抢测。采用曼宁公式反算糙率建立了水位糙率经验模型公式，通过应用在中小河流防汛专用水文站水位流量延展，结果表明水位与糙率相关性强，计算误差符合水文规范要求，可为对特征水位下的流量推求，预报未来洪水提供借鉴。

由于实测数据序列长度有限，无法精确拟合水位与糙率曲线，更进一步计算糙率需要在以后的研究中继续增加实测数据，对水位—糙率曲线进行修正