程嫄嫄 ，金晨曦

（1. 安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088；2. 云南省水文水資源局，云南 昆明 650106）

0 引言

巢湖流域[1]位于安徽省中部，東瀕長江，西北為江淮分水嶺，東北鄰滁河流域，南與陳瑤湖、菜子湖及皖河流域毗連，屬長江下游左岸水系，為全國第五大淡水湖。目前，安徽省正在全面推行湖（河）長制，為滿足巢湖湖（河）長制考核驗收的需要，在巢湖入湖一級、二級支流共 26 條河流設(shè)置了 43 個考核斷面，目前各考核斷面的水質(zhì)監(jiān)測已建設(shè)完成且實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享，但水量監(jiān)測站建設(shè)尚不完善，數(shù)據(jù)也未共享。根據(jù)省級巢湖湖（河）長制的考核驗收要求，需在各考核斷面，建設(shè)水資源監(jiān)測站，實現(xiàn)水質(zhì)和水量同步監(jiān)測。

近年來，ADCP[2-3]測流技術(shù)發(fā)展飛速，在很多地區(qū)都有廣泛的應(yīng)用并取得成功，其中走航式ADCP[4]測流技術(shù)相對成熟，測量精度和時效性均能達(dá)到水文測驗要求，但不能實現(xiàn)實時在線測流；水平式 ADCP（H-ADCP）[5]和垂線式 ADCP（V-ADCP）[6-7]可以實現(xiàn)實時在線測流，但對斷面的復(fù)雜程度有一定的要求，且需要進(jìn)行比測率定后方能使用。根據(jù)各考核斷面的實際情況，選擇適合的測流方式，滿足湖（河）長制考核的精度和時效性要求。

1 測流方式比較

1.1 ADCP 測流原理

ADCP 即聲學(xué)多普勒流速剖面儀，根據(jù)多普勒頻移原理測量水體流速，是目前世界上先進(jìn)的河流流速流量實時測量設(shè)備。ADCP 設(shè)備上安裝多個換能器，每個換能器既是發(fā)射器又是接收器，發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水中顆粒物散射回來的聲波。假定顆粒物的運(yùn)動速度等于水體流速，當(dāng)顆粒物的運(yùn)動方向接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高；當(dāng)顆粒物的運(yùn)動方向遠(yuǎn)離換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率低。發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由公式（1）確定：

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移，kHz；F 為發(fā)射波頻率，kHz；v 為顆料物沿聲束方向的移動速度，m/s；C 為聲波在水中的傳播速度，m/s。

目前 ADCP 設(shè)備測流方法有以下 3 種：1）走航式ADCP，即由船體搭載 ADCP 設(shè)備；2）H-ADCP，設(shè)備安裝在岸邊邊坡或橋墩上，聲束水平發(fā)射；3）V-ADCP，設(shè)備安裝在河底或水面，聲束垂直向上或向下發(fā)射。

1.1.1 走航式 ADCP

走航式 ADCP 是采用 ADCP 設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式流速儀，由船體搭載 ADCP 設(shè)備，船體可以采用無動力船，由攬道拖弋船體測流，也可以采用有動力船，在水體條件不適合人工駕駛船體的情況下，可采用無人船自動航行，沿測流斷面方向按照設(shè)定的測量周期在河道斷面上建立多條垂線，在每條垂線處測量水深、起點距和垂線多點的流速，然后計算垂線部分流量，獲得斷面流量，在測流的同時可以獲得斷面剖面圖。走航式 ADCP 具有測驗速度快、精度高等優(yōu)點，但仍需人工操作，無法實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。

1.1.2 H-ADCP

H-ADCP 的流速傳感器通常安裝在河流或渠道的岸邊，由多個超聲波探頭組成，其中 1 個探頭向上發(fā)射（采用壓力傳感器等其他方式測量水深的ADCP 無該探頭），用來測量水深，另外 2 個超聲波探頭在同一平面上成一定角度向?qū)Π栋l(fā)射，水平發(fā)射波束涵蓋部分或整個寬度的水體，超聲波遇到水中和水一起流動的懸浮物會產(chǎn)生反射，根據(jù)接收到的反射回來的聲波頻率大小可計算出各層水流某一段上各點的二維矢量流速。只要測驗范圍達(dá)到斷面主槽，利用指標(biāo)流速法可計算斷面實時流量。

指標(biāo)流速法即用局部流速（單點、垂直平均或水平平均等流速）作為指標(biāo)流速推算斷面平均流速，為了得到斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系，采用人工船測或走航 ADCP 測出流量和斷面面積，得到斷面平均流速的數(shù)據(jù)，根據(jù)同步測量的指標(biāo)流速和水位數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析，得到斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系，即 H-ADCP 的率定過程。

1.1.3 V-ADCP

V-ADCP 的流速傳感器可以安裝在水面，由水面往水底測量，也可安裝在河底往水面測量。目前，國內(nèi)研究人員研制了二垂線式（又稱二線能坡法）ADCP 測流方式，采用以曼寧公式為基礎(chǔ)的二線能坡法的垂線流速計算模型，通過實測河道斷面上 2 條垂線的平均流速，再采用能坡法計算出 2 條垂線處比降，通過 2 條垂線的比降，推算出斷面 n 條垂線的垂線流速，把原來在斷面中實測 n 條垂線流速變成計算 n 條垂線流速，通過斷面 2 條垂線流速的在線監(jiān)測，從而實現(xiàn)全斷面流量的實時在線監(jiān)測。二垂線式 ADCP 測流具有測量速度快、全自動測量等特點，適應(yīng)于河底形狀不適合安裝 H-ADCP的地方。

1.2 各種測流方式對比

目前，3 種 ADCP 設(shè)備在流量監(jiān)測中均有應(yīng)用，適應(yīng)范圍各有不同，以下從安裝方式、測量精度、對通航的影響及適用斷面情況等方面進(jìn)行對比分析，如表1 所示。

表1 3 種 ADCP 測流方式對比表

2 建設(shè)方案

通過對巢湖流域 43 個考核斷面情況進(jìn)行梳理，斷面情況分為 3 類：1）考核斷面附近有水文站，利用現(xiàn)有水文站測流的斷面，計 11 個斷面，該類斷面在水文站現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加走航式 ADCP 設(shè)備，取代傳統(tǒng)機(jī)械式流速儀，提高測流的時效性；2）控制流域面積較小，排污量不大的斷面，計 9 個斷面，該類斷面由于排污量不大，采用巡測方式，配備走航式 ADCP 或手持電波流速儀，與水質(zhì)采樣同期測流；3）需新建水量在線監(jiān)測站的斷面，計 23 個斷面，首先對斷面中距離較近且沒有出入流的斷面進(jìn)行合并建站，合并后需新建 18 個監(jiān)測站，站址選擇在河道斷面規(guī)整、沖淤變化不大、河道順直流態(tài)穩(wěn)定的河段，盡量與水質(zhì)監(jiān)測站同站址，便于同步觀測和管理，再根據(jù)斷面等情況，結(jié)合 1.2 節(jié)所述 3 種測流方式的優(yōu)劣，選擇合適的測流方式。

以 3，4# 斷面為例，兩斷面相距較近且沒有支流匯入，可合并建設(shè)，站址所在斷面寬度 110 m，灘地寬約 20 m，高程 7.5 m 左右，河底高程約 4.2 m，底寬 40 m，為寬淺型河道。斷面兩岸均有較大灘地，如采用水平法測流，根據(jù)枯水位和測流設(shè)備波束角開度要求，測流傳感器探頭最低安裝高程為 7.0 m，需對河道切灘擴(kuò)挖，灘地需切至 6.0 m 高程左右，切灘后對河勢影響較大，流場、流態(tài)將產(chǎn)生變化，測流精度無法保證，綜合考慮上述因素，該斷面采用垂線法測流方式，傳感器探頭分別布置在左右岸河槽。本次新建 18 個監(jiān)測站點中，有 11 個斷面選用二垂線式 ADCP，6 個斷面選用 H-ADCP，1 個斷面即姚家河斷面因?qū)儆谏絽^(qū)河流，枯水期經(jīng)常斷流且河床遍布鵝卵石，采用電波流速儀。建設(shè)方案如表2 所示。

3 結(jié)語

隨著新時代水利工作重心轉(zhuǎn)向“水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的要求、河湖長制管理體系的形成及“互聯(lián)網(wǎng) +”等信息化智慧水利的發(fā)展趨勢，亟需利用新技術(shù)對水文水資源信息進(jìn)行采集、分析和管理，提高水文水資源管理水平，巢湖流域水資源監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)勢在必行。目前，巢湖流域水資源監(jiān)測站已部分建設(shè)完畢，數(shù)據(jù)已上傳安徽省巢湖管理局信息平臺，ADCP 設(shè)備的應(yīng)用對水資源監(jiān)測工作提供了更方便、快捷的手段，應(yīng)用前景廣闊，具體如下：1）通過對各考核斷面的流量進(jìn)行監(jiān)測，對省級巢湖湖（河）長制考核驗收提供數(shù)據(jù)支持；2）巢湖流域水污染治理的重點是對入湖污染物進(jìn)行控制，實現(xiàn)水質(zhì)和水量同步監(jiān)測，計算污染物入湖通量，對入湖污染物控制有積極的監(jiān)管作用，對國內(nèi)類似湖泊的水資源水環(huán)境管理有借鑒作用；3）ADCP 測流設(shè)備近年來在安徽省內(nèi)部分水文站有局部試點應(yīng)用，但在巢湖流域這么大范圍內(nèi)的使用在省內(nèi)尚屬首例，對 ADCP 測流技術(shù)具有積極的推廣意義，對設(shè)備后期研究改善提供實測數(shù)據(jù)支撐。