HADCP 在线测流系统在界首水文站的应用分析

刘润泽

（安徽省阜阳水文水资源局,安徽 阜阳 236000）

1 界首水文站概况

界首水文站始建于1940 年7 月,当时隶属伪黄河水利委员会,站址在现在基本水尺断面上游2000 m 处的河南省沈丘县刘湾村,1951 年3 月由治淮委员会接管,1958 年1 月站址由之前的刘湾村迁至现在的界首市城关镇,1962 年改由安徽省水利厅领导,隶属安徽省水文局管辖,中间经历了1987 年～1995 年间短暂的被改为水位专用站,界首站地处河南、安徽两省交界,至下游河口距离186 km,汇入淮河,集水面积29290 km2。本站是国家重要水文站和大河控制站,一类测验精度水文站。

界首水文站测验河段顺直长度约500 m,基本水尺断面下游约200 m 处略有弯曲,基本水尺断面兼作流速仪测流断面,监测断面宽约200 m。上游约300 m 有界临郸公路桥一座,约30 km 有槐店闸；下游约500 m 有裕民大桥一座,约20 km有耿楼闸。受上下游水利工程的调度控制,本站水位常年处于30.50 m～34.00 m 之间,水面宽140 m 左右,河床稳定冲淤变化不明显。

2 仪器设备情况

2.1 仪器引进目的

上下游水利工程的运行调度对界首站的水位流量关系造成了很大的影响,水位流量关系紊乱没有规律,日常采用连实测流量过程线法进行推流整编,平时上下游水利工程调度频繁,因此为了控制好界首站断面流量的变化过程只能通过加密流量测次来实现[1-2]。日常流量测验的工作强度也随之加大,年平均测次350 次左右[3-4]。常规采用走航式ADCP 来进行断面流量的测验,流量较小时,走航式ADCP 测得的流量成果经常会超出规范中所规定的允许偏差[5]。此时则需要采用传统的缆道流速仪法来进行断面流量的测验,因为颍河是河南通往蚌埠、南京、上海等地的重要航道,而且界首站测流断面和上游码头的距离又比较近,所以测流断面上来往的货船较多,利用缆道流速仪法进行断面流量测验耗时较长,一般都在一个小时以上,流量施测过程中会存在一定的安全隐患。有时上下游闸门在短时间内变动多次,此时常规流量测验方式就不能及时准确的把握受上下游水利工程影响下断面流量的变化情况。因此界首水文站急需实现流量的自动监测。

基于上述原因,安徽省阜阳水文水资源局于2022 年5 月引进了水平式ADCP HST-600 测流系统（以下简称HADCP）,安装位置在界首水文站的基本水尺断面,装配调试运行之后,和常规流量测验方式所得到的成果进行同步比测分析。

2.2 仪器的测流原理

HADCP 仪器主要测量的是水平方向测量段内的平均流速（代表流速）,首先建立断面平均流速与代表流速两者之间的关系,然后利用HADCP 换能器采集水平方向测量段内的平均流速,根据两者之间的关系来得到断面平均流速,再将所得到的断面平均流速乘以当时水位所对应的断面面积,就得到了断面的瞬时流量。

最常见的代表流速法方程多为一个简单的,单变量线性方程,其形式为一条直线：

式中：V平均为断面平均流速（在指定河流断面）,m/s（或ft/s）；V测量为传感器给出的观测流速,m/s（或ft/s）（也被称为“代表流速”）；a 为斜率系数（无量纲）；b 为截距系数,m/s（或ft/s）。

河道断面的总流量是断面总面积AT与断面平均流速V平均的乘积,即：

断面总面积AT可以通过建立水位与实测已知断面面积之间的相关关系来确定。由此就可以得到河道断面的总流量。

2.3 仪器的安装调试

界首水文站HADCP 换能器安装在基本水尺断面兼流速仪测流断面起点距约45 m 处的垂直导轨式支架上,安装高程为28.50 m,把电缆从水位自记井的内部穿过到达水位自记井的井房内,然后连接到放在水位自记井房内的采集器终端。在此安装位置下,常年最低水位30.78 m 水位时仍可保证约90 m 的测量范围,能够有效覆盖本断面的主流位置,测量区域具有代表性。

3 流速比测情况

流速比测分析是利用走航式ADCP 测验方法和常规流速仪测验方法所测得的断面平均流速与HADCP 的实测指标流速进行比较,走航式ADCP 测验方法严格按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）、《声学多普勒流量测验规范》（SL 337-2006）的有关规定进行流量测验,使用水文缆道带动装载ADCP 换能器的三体船进行断面流量的测验。常规流速仪测验方法按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）的有关规定进行断面流量的测验,HADCP 根据《声学多普勒流量测验规范》（SL 337-2006）进行断面流量的测验,流速的采样频率为5 min/次,取人工实测流量时间段内HADCP所采集到的代表流速的平均值作为指标流速。比测时间段为2022 年6 月1 日～2023 年6 月1 日,累计进行流量测验252 次,共收集比测资料252 组。比测是以实测断面的平均流速与HADCP 的指标流速进行对比和相关关系分析。断面平均流速Vm为走航式ADCP 测验方法和常规流速仪测验方法所测得的断面平均流速,指标流速Vi为人工实测流量时间段内HADCP 所测代表流速的算术平均值。

3.1 不同水位级流速比测分析

本次所收集的比测资料中,实测最低水位32.06 m,最高水位33.90 m,水位变幅为1.84 m,经分析之后以水位33.00 m为界,在不同的水位级下,以实测断面平均流速Vm为纵坐标,HADCP 指标流速 Vi为横坐标来建立关系,探究不同的水位级对实测断面平均流速和HADCP 指标流速两者之间关系的影响。

通过图1、图2 可以看出,当水位在33.00 m 以下时,Vi～Vm线性关系良好,线性公式为y=0.9688x-0.0054,线型相关度R2=0.9337。当水位在33.00 m以上时,Vi～Vm线性关系同样良好,线性公式为y=0.9516x-0.0018,线型相关度R2=0.9624。因此,不同的水位级对实测断面平均流速和HADCP 指标流速两者之间的关系几乎没有影响。

图1 (水位＜33.00 m）HADCP 指标流速与实测断面平均流速关系线

3.2 不同流量级流速比测分析

本次比测资料中,实测最小流量10.3 m3/s,最大流量461 m3/s,经分析之后以流量100 m3/s 为界,在不同流量级下,以实测断面平均流速Vm为纵坐标,HADCP 指标流速 Vi为横坐标建立关系,探究流量大小对二者关系的影响。

当流量在100 m3/s 以下时,Vi～Vm线性关系较差,样本点分布散乱,见图3。当流量在100 m3/s 以上时,Vi～Vm线性关系良好,线性公式为y=0.8664x-0.0245,线型相关度R2=0.9717,见图4。

图3 (流量＜100 m3/s）HADCP 指标流速与实测断面平均流速关系线

图4 (流量＞100 m3/s）HADCP 指标流速与实测断面平均流速关系线

流量在100 m3/s 以下时,HADCP 所测得的指标流速与实测断面平均流速偏差较大,分析之后认为应该是界首站断面流量受上下游水利工程的影响所导致的,而这种影响在流速越小时表现的愈加明显。

3.3 不同测验方式流速比测分析

本次比测资料共收集到252 份比测成果,其中流速仪成果120 份,走航式ADCP 成果132 份,在不同测验方式下,以实测断面平均流速Vm为纵坐标,HADCP 指标流速Vi为横坐标建立关系,探究测验方式的不同,二者关系的变化。

当使用传统流速仪时,Vi～Vm线性关系较差,样本点分布散乱,见图5。当使用走航式ADCP 时,Vi～Vm线性关系良好,线性公式为y=0.9283x+0.0062,线型相关度R2=0.9709,见图6。

图5 (流速仪）HADCP 指标流速与断面平均流速关系线

图6 (走航式ADCP）HADCP 指标流速与断面平均流速关系线

上文中提到当断面流量较小走航式ADCP 测量成果不满足规范要求时,采用传统流速仪进行流量测验,而当流量较小时断面流速紊乱变化无规律加之传统流速仪测验历时相对较长,基本都在60 min 以上,故在此种情况下HADCP 所测得的指标流速也随之变得紊乱无规律。这是导致流速仪测流情况下样本点分布散乱的主要原因。

3.4 整体分析与验证

将本次收集到的252 份比测成果,以实测断面平均流速Vm为纵坐标,HADCP 指标流速 Vi为横坐标建立关系,见图7,从图7 中可以看出整体关系良好。

图7 界首站HADCP 指标流速与断面平均流速关系图

根据界首站实测流量成果,同时利用HADCP 所监测指标流速,按照公式Vm=9588Vi-0.0035 计算出断面的平均流速与当次实测流量平均水位所对应的面积相乘得到的流量为HADCP 的实测流量,选取2022 年6 月1 日～2022 年8 月1 日的水位、实测流量和HADCP 实测流量分别点绘在图中,见图8。

图8 界首站水位、流量过程线对比图

通过观察图8 中的水位、实测流量、HADCP 实测流量过程线可以看出在水位变化的过程中,实测流量和HADCP实测流量的大小、变化趋势和过程基本一致。

4 HADCP 在线测流系统的优越性

综合上述内容,从监测效率和监测成果上看,HADCP 在线测流系统与走航式ADCP 和流速仪等常规测验方式相比具有显而易见的优点。①利用仪器设备来代替人力劳动。一方面进一步解放人力,另一方面使流量监测向着更加自动化、智能化发展；②HADCP 在控制流量的变化过程和监测频率上优点突出,由于上下游水利工程的调度频繁,会导致界首站流量在短时间内变化较快,此时人工传统测流方式则不能很好的控制断面流量的变化过程,而HADCP 在线测流系统采用 5 min/次的频率采集实时数据[6],这是人工传统测流方式无法做到的；③提高了流量测验过程中的安全性,平时界首站基本测流断面来往船只较多,采用常规测验方式时,需密切注意上下游来往船只,及时避让来保证安全,每到汛期涨水时河面上还会有大量的漂浮物,相比较之下,在测验安全这方面HADCP 具有更加明显的优势。④可以在电脑端查看断面流量的实时变化过程,而传统人工测验方式可能会出现计算错误、点绘错误等问题,计算校核完成之后再点绘出流量的变化过程。与HADCP 在线测流系统相比不仅耗时耗力,而且得到流量变化过程有一定的滞后性[7]。

5 结论

通过在不同条件下对实测断面平均流速和HADCP 指标流速的比测分析,以及水位、流量过程线的点绘分析,整体来看HADCP 在界首水文站的应用效果良好,对提高水文站自动测报水平、推动水文测报改革和水文现代化,具有积极意义。另外此次比测分析所收集的252 组比测数据,最高水位33.90 m,最大流量461 m3/s,最大流速0.40 m/s,缺少大流量数据。因此要继续做好HADCP 的比测分析工作。