胡雪嬌，李 健

（水利部太湖流域管理局 水利發(fā)展研究中心，上海 200434）

1 聲學(xué)多普勒流速剖面儀簡介

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種快速、經(jīng)濟(jì)的高精度測流儀器。ADCP 的主要原理為多普勒頻移效應(yīng)[1-2]，即當(dāng)特定頻率的聲波被1個(gè)移動(dòng)的物體所發(fā)射時(shí)，則其接收的反射波頻率會(huì)產(chǎn)生多普勒頻率頻移，且該偏移值與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，進(jìn)而可以根據(jù)多普勒公式計(jì)算出水體的流動(dòng)速度，公式如下：

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移；Fs為回波頻率；v為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度；C為聲波在水中的傳播速度。

ADCP 主要有2種類型：走航式 ADCP 和水平式ADCP（H-ADCP）[3-4]。H-ADCP 主要用于河流或明渠流速、流量在線監(jiān)測，與走航式 ADCP 不同，H-ADCP 通常側(cè)向安裝在岸壁或橋墩上，其流速檢測聲束指向水平方向。H-ADCP 的超聲波發(fā)射探頭與水流總體方向要保持一定的傾斜角度，如果垂直于水流方向發(fā)射，超聲波束不會(huì)產(chǎn)生多普勒頻偏，也就測量不到流速。H-ADCP 能夠測量儀器所在的水層處剖面范圍內(nèi)各單元的流速，用戶可以根據(jù)需要將某一水平線段內(nèi)各個(gè)單元內(nèi)的流速進(jìn)行平均，得到該線段內(nèi)的水平平均流速。

2 H-ADCP 在流域引江濟(jì)太工作中的應(yīng)用

2.1 引江濟(jì)太簡介

太湖流域位于長江三角洲核心區(qū)域，行政區(qū)劃分屬江蘇、浙江、上海，流域總面積36900km2，人口3680萬人，是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。太湖居流域中心，是全國第3大淡水湖，水域面積2338km2，對(duì)流域防洪、供水、航運(yùn)、水環(huán)境等具有重要的控制和影響作用。

隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，水資源問題日益突出，水質(zhì)型缺水嚴(yán)重，水資源的不足和污染已嚴(yán)重制約了流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。為改善太湖水水質(zhì)，組織實(shí)施“引江濟(jì)太”水資源調(diào)度，“引江濟(jì)太”，即通過太湖主要的泄洪道望虞河從長江向太湖調(diào)水，一方面給太湖補(bǔ)給較清潔的長江水，另一方面加速太湖水體交換速度,通過望虞河調(diào)引長江水入太湖改善太湖及河網(wǎng)水環(huán)境。“引江濟(jì)太”在緊急情況下采用動(dòng)力抽水，平時(shí)利用長江下游的潮汐作用向太湖自流調(diào)水。引江濟(jì)太工程的實(shí)施，將改善太湖及周邊水環(huán)境狀況。

2.2 H-ADCP 在引江濟(jì)太工作中的實(shí)踐

為做好引江濟(jì)太水資源調(diào)度，為流域水資源科學(xué)、實(shí)時(shí)、精細(xì)調(diào)度提供技術(shù)支撐，對(duì) H-ADCP 監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工通過水文纜道測流方式測量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如下：

1）2009年引水期間

為保障太湖流域重要水源地供水安全，2009年“引江濟(jì)太”調(diào)度從 4月27日啟動(dòng)，至 6月28日結(jié)束，望亭水利樞紐引水入湖 ADCP 數(shù)據(jù)為 4.44億 m3，人工數(shù)據(jù)為 4.84億 m3。對(duì)人工與 ADCP 數(shù)據(jù)中的日徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖1；將人工數(shù)據(jù)與ADCP 每日8時(shí)數(shù)據(jù)和日平均值分別進(jìn)行線性比較，結(jié)果見圖2、3。

圖1 2009年引水期間望亭日徑流量圖

圖2 每日8時(shí)數(shù)據(jù)線性比較

圖3 日平均值線性比較

從圖3可以看出，人工和 ADCP 數(shù)據(jù)起伏走勢大體相同。由圖2、3可見，2009年引水期間人工與ADCP 每日8時(shí)數(shù)據(jù)線性比較，R2= 0.9067；日平均值線性比較，R2= 0.8237，說明人工測流和ADCP 測流數(shù)據(jù)之間相關(guān)性良好，望亭流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行正常，測流結(jié)果體現(xiàn)了實(shí)際流量情況。

2）2009年排水期間

7月上旬，流域普降中到大雨，太湖水位緩慢上升，為確保防洪安全，望亭水利樞紐開始全力排水。對(duì)人工與 ADCP 數(shù)據(jù)中的日徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4；將人工數(shù)據(jù)與 ADCP 每日8時(shí)數(shù)據(jù)和日平均值分別進(jìn)行線性比較，結(jié)果見圖5、6。

圖4 2009年排水期間望亭日徑流量人工數(shù)據(jù)與ADCP數(shù)據(jù)比較

圖5 每日8時(shí)數(shù)據(jù)線性比較

圖6 日平均值線性比較

從圖6可以看出，人工和 ADCP 數(shù)據(jù)起伏走勢大體相同。由圖5、6可見，2009年引水期間人工數(shù)據(jù)與 ADCP 每日8時(shí)數(shù)據(jù)線性比較，R2= 0.9237；日平均值線性比較，R2= 0.9238，說明人工和 ADCP測流數(shù)據(jù)之間相關(guān)性良好，望亭流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行正常，測流結(jié)果體現(xiàn)出了實(shí)際流量情況。

3 ADCP 與人工測流數(shù)據(jù)差異分析

3.1 2種測流方法的差異

1）采集時(shí)間不同。為了便于上報(bào)，及時(shí)做好分析，每天 8:00的人工測流數(shù)據(jù)，ADCP 通常在 7:30就已測得。

2）計(jì)算方法不同。ADCP 測流數(shù)據(jù)是1次/5min數(shù)據(jù)，1天共288次數(shù)據(jù)，人工測流數(shù)據(jù)一般是1天4次數(shù)據(jù)，分別在 7:00、7:30、16:00、17:00各測得1次數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)異?；蜷l門啟閉時(shí)加測1次），計(jì)算出 0:00值（取今日 7:00與昨日 17:00的平均值）和 24:00值（取今日 17:00與第 2日 7:00的平均值），采用面積包圍法計(jì)算得出日徑流總量，再取得日平均值；ADCP 測流日數(shù)據(jù)是用1次/5min 的流量平均值乘以300s，得到5min 內(nèi)的徑流量，再將全天的5min 累積相加，得到日徑流總量。

3）影響因素不同。蠡河船閘位于望亭立交下游，距離立交僅為百米遠(yuǎn)，引水期間，船閘的啟閉會(huì)影響人工與 ADCP 測流數(shù)據(jù)；月城河船閘位于望亭立交上游，距離立交為數(shù)百米遠(yuǎn)，距離望亭測流斷面較近，船閘的啟閉會(huì)影響人工與 ADCP 測流數(shù)據(jù)；人工測流采用定時(shí)測量方式，若測流時(shí)正好受到船閘的影響，日平均值變化較大，而 ADCP 是5min 自動(dòng)采集1組數(shù)據(jù)，日平均值變化較小。

3.2 2種測流方法差異分析

將2組測流數(shù)據(jù)以時(shí)間為橫坐標(biāo)畫折線圖得圖1、4，可以發(fā)現(xiàn)，2組數(shù)據(jù)還是略微存在差異，主要在 4月30日、8月10日、8月31日等時(shí)間有差別，具體分析如下：

1）4月30日，ADCP 數(shù)據(jù)平滑，人工測流數(shù)據(jù)出現(xiàn)下峰值。當(dāng)天望亭立交 1～7孔閘常開 1.6m，人工測得的 8:00流量數(shù)據(jù)（實(shí)為 7:30）為 59.10m3/s，日平均流量僅為 7.07m3/s，而 ADCP日平均流量為 70.40m3/s，可認(rèn)為 ADCP 數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。

2）8月10日，ADCP 數(shù)據(jù)出現(xiàn)下峰值，人工測流數(shù)據(jù)平滑上升。當(dāng)天閘門開度調(diào)整達(dá)到11次，其中有3h 內(nèi)閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，ADCP 數(shù)據(jù)出現(xiàn)下峰值屬于正常情況。

3）8月31日，ADCP 數(shù)據(jù)平滑下降，人工測流數(shù)據(jù)出現(xiàn)上峰值。7:25分，望亭立交提升 1～7號(hào)閘門開度 0.2m，加大泄洪力度；21點(diǎn)，望亭立交降低閘門開度 0.2m，控制泄洪流速。7:25分 ADCP 測得的流量數(shù)據(jù)與8時(shí)人工數(shù)據(jù)均為92.00m3/s，數(shù)據(jù)保持一致。當(dāng)天，ADCP 監(jiān)測數(shù)據(jù)受上下游水位差及閘門開度影響，有規(guī)律變化，最小值92.10m3/s，最高值 119.00m3/s，平均日流量為99.80m3/s，而人工測流8時(shí)數(shù)據(jù)為92.00m3/s ，平均日流量高達(dá)252.00m3/s，經(jīng)分析認(rèn)為 ADCP 數(shù)據(jù)較合理。

4 結(jié)語

從 H-ADCP 在望亭水文站的應(yīng)用情況可以看出，H-ADCP 是一種自動(dòng)化程度較高的測流儀器，它具有簡便、快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。具體如下：1）測量速度快，可以進(jìn)行快速的斷面流量測量；2）具有對(duì)數(shù)據(jù)資料的鑒別處理能力，避免了不合理數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)處理，影響數(shù)據(jù)精度的現(xiàn)象出現(xiàn)；3）測量時(shí)不干擾水流，可以直接測量流速斷面，適合各種環(huán)境測量；4）可以減輕人工測流強(qiáng)度，增加測流人員的安全性。

ADCP 流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在引江濟(jì)太望亭站的成功使用，為今后廣泛應(yīng)用 ADCP 進(jìn)行水文測驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，太湖流域江河密布，水網(wǎng)縱橫，采用 ADCP 技術(shù)具有許多傳統(tǒng)測量方法無法比擬的優(yōu)勢，在流域防汛抗旱水資源調(diào)度管理中提供了重要支撐作用。

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