巡航式ADCP系統(tǒng)在巴州河流水文測報中的應(yīng)用研究

達(dá) 偉

(新疆巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

隨著社會的發(fā)展，人類對河流的利用日趨多樣，水利工程越建越多，過去水文站測驗斷面上下游無水利工程，基本處于零干擾的純天然條件已一去不返，相反，目前大多數(shù)水文測站水文數(shù)據(jù)收集均不同程度受到水利工程建設(shè)的影響，且影響因素越來越復(fù)雜多樣，盡快實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)實時自動測報是實現(xiàn)水文現(xiàn)代化以和水文測站“無人值守、有人看管”發(fā)展理念的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以極大提高測驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性，為防洪減災(zāi)提供強大技術(shù)保障。以新疆開都河上的大山口水文站和孔雀河上的他什店水文站為試驗區(qū)域，引進(jìn)巡航式ADCP測流系統(tǒng)在大山口和他什店水文站進(jìn)行斷面流量測驗對比實驗，對其自動測量的水文數(shù)據(jù)與常規(guī)流速儀測驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，綜合判斷該型儀器設(shè)備在巴州境內(nèi)河流的實用性，從而為巴州境內(nèi)其他河流引進(jìn)自動測流設(shè)備以及巡航式ADCP的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

1.1 水文站測量斷面概況

開都河被譽為巴州人民的母親河，是巴州產(chǎn)水量最大、屬雨雪混合補給的河流，其補給來源與巴州境內(nèi)車爾臣河、若羌河、瓦石峽河、黃水溝、清水河等天然河道基本一致。大山口水文站位于巴音郭楞蒙古自治州和靜縣南哈爾莫墩鎮(zhèn)境內(nèi)，是開都河的重要水量控制站，測站以上集水面積18 827 km2，多年平均徑流量35.30億 m3。流量測驗斷面位于大山口一級水電站下游，河道為“U”型河床，寬約90 m，左岸為鉛絲籠護(hù)岸，右岸為混凝土擋水斜墻，河床主要由卵石和砂礫石組成，植被稀少，河道順直，水流集中，縱坡不大，控制條件良好。

孔雀河是一條依靠人工調(diào)節(jié)的非天然河道，其水量主要來源于開都河末端的博斯騰湖，依靠博斯騰湖揚水站將開都河水量通過孔雀河輸送到庫爾勒市南部的普惠水庫或塔里木河，供下游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)綠化使用。而他什店水文站位于巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市塔什店鎮(zhèn)境內(nèi)，是孔雀河唯一水量控制站，多年平均徑流量13.53億 m3。流量測驗斷面位于博斯騰湖揚水站下游45.21 km處，河道為“U”型河床，寬約35 m，左右岸均為黏土，河床主要由沙土組成，植被較多，河道順直，控制條件較好。

1.2 水文站流量方式

大山口水文站：過河方式為雙索吊箱和電動纜道，測驗方式為流速儀一點法(0.6)；測深、測速垂線相對固定，測深垂線布設(shè)為15～17條，測速垂線布設(shè)為15～17條，流量大時在主流區(qū)適當(dāng)增設(shè)測深、測速垂線；完成一次流量測驗需要投入2名技術(shù)人員，耗時2 h左右，若河道水量大采用流速儀精測法(多點法)測流則需耗時5 h左右。

他什店水文站：過河方式為電動雙索吊箱和手動雙索吊箱，測驗方式為流速儀一點法(0.6)；測深、測速垂線固定，測深垂線布設(shè)為15條，測速垂線布設(shè)為7條，流量大時在主流區(qū)適當(dāng)增設(shè)測速垂線；完成一次流量測驗需要投入2名技術(shù)人員，耗時1.5 h左右，若河道水量大采用精測法(多點法)測流則需耗時3 h左右。

2 試驗區(qū)水文測報現(xiàn)狀及難點分析

大山口一級電站是一座以發(fā)電為主的樞紐工程，水庫總庫容0.298億 m3，壩體中部設(shè)7個凈寬10 m的溢流表孔，河床右側(cè)10號壩段布置沖砂兼泄洪底孔。大山口水文站流量測驗斷面位于大山口一級電站下游200 m處，受樞紐閘室起落影響，水位陡漲陡落，時間非常短，流速儀法測流時間明顯不夠，尤其是5-8月主汛期閘門起落頻繁，給流量資料收集帶來了較大困難，甚至?xí)?dǎo)致部分重要水位節(jié)點對應(yīng)流量缺測的情況。而他什店水文站流量測驗斷面受下游9.5 km處鐵門關(guān)水庫回水頂托的影響，水位流量關(guān)系紊亂，年徑流量計算不得不采用“連實測法”進(jìn)行推流，為滿足“連實測法”推流精度要求，年需實測流量測次120次以上，勞動強度極大。另外，從多年實測水文資料來看，他什店水文站測驗斷面附近河道平均水深約為4～8 m，平均流速約為0.08～0.70 m/s，水深大而流速小的特點比較明顯，當(dāng)斷面流量小于30 m3/s時，流速儀法測流精度逐漸下降，當(dāng)斷面流量小于10 m3/s時，流速儀無信號，無法測得斷面流量。

為降低勞動強度、縮短測驗時間、提升測驗精度，引進(jìn)巡航式ADCP應(yīng)用于大山口、他什店水文站，既是現(xiàn)實狀況下流量測驗工作需要，也是水文現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的客觀需求。

3 比測試驗方法

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)以及《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》(SL337-2006)相關(guān)規(guī)定，ADCP投入使用前，應(yīng)與轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行比測，比測試驗測次分布要覆蓋高、中、低不同水位(或流量)級，有效測次不少于30次且應(yīng)選擇在水流相對平穩(wěn)時開展比測工作。

3.1 比測設(shè)備參數(shù)

走航式ADCP測流系統(tǒng)主要由RiverRay ADCP、三體船、通訊裝置、12V蓄電池、GPS羅經(jīng)，數(shù)據(jù)采集處理軟件和筆記本電腦組成，大山口站、他什店站ADCP序列號分別為672650和656723，其主要使用參數(shù)為系統(tǒng)頻率600kHz、四波束(30°波束角)、分辨率1 mm/s、深度單元長度最小10 cm、流速范圍±5 m/s(缺省)和±20 m/s(最大)。

轉(zhuǎn)子流速儀型號均為LS25-1旋漿式流速儀，大山口水文站流速儀編號為820808，流速儀公式為V=0.252 5n+0.009 5。他什店水文站流速儀編號為300224，流速儀公式為V=0.251 1n+0.010 3，其主要參數(shù)為測速范圍0.06～7.0 m/s、工作水深一般不大于24 m、工作水溫0℃～40 ℃、工作水質(zhì)為淡水(含有不過分的礦物質(zhì))或含有泥沙的渾水、儀器起轉(zhuǎn)速度≤0.05 m/s、檢定公式的均方差≤1.5%、槳葉螺距250 mm、每兩次信號間槳葉的轉(zhuǎn)數(shù)為20轉(zhuǎn)。

表1 大山口水文站流量對比實驗成果統(tǒng)計表

3.2 比測內(nèi)容

采用流速儀法和走航式ADCP同步進(jìn)行流量測驗，對兩者測得流量進(jìn)行比較分析，評價ADCP流量測驗精度，并確定走航式ADCP在測驗時有關(guān)參數(shù)的技術(shù)要求，比如：岸邊流量系數(shù)、冪指數(shù)、探能器入水深度等。

3.3 資料收集方法

走航式ADCP安裝于三體船內(nèi)并用鉛魚或者手搖循環(huán)式裝置牽引，采用橫渡法施測2個測回斷面流量(在流速儀法測流前、后各往返1個來回)，每半個測回用時大于180 s，且測得的流量值不超過2個測回算術(shù)平均值的±5%，若前后4次流量值的變幅不大于平均值的10%，則取該平均值作為ADCP測定的流量。轉(zhuǎn)子式流速儀測流采用常測法一點法(0.6相對水深)測速，測速垂線相對固定，每個測點測速計時不少于100 s，每條測深垂線均測深兩次取均值，每次測流結(jié)束現(xiàn)場及時計算。

表2 他什店水文站流量對比實驗成果統(tǒng)計表

大山口水文站2018年至2020年6月共收集到流量對比實驗33次，測次覆蓋高、中、低水，測到最大流量461 m3/s，測到最小流量32.8 m3/s，見表1；他什店水文站2017年至2020年6月共收集到流量對比實驗39次，測次覆蓋高、中、低水，測到最大流量95.2 m3/s，測到最小流量12.6 m3/s，資料成果詳見表2。

3.4 巡航式ADCP測驗注意要點

在進(jìn)行對比實驗過程中，為保證測驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)特別注重巡航式ADCP的使用要領(lǐng)，掌握操作技巧，保證測驗質(zhì)量。

(1)在測驗時盡量保持運行軌跡在河道測驗斷面線同一方向直線行駛，避免設(shè)備運行軌跡來回或者上下移動，尤其是在靠近岸邊低流速的情況下，更要保證同一方向直線行駛。

(2)盡量避免三體船運行速度時快時慢，以免ADCP吃水深度不夠?qū)е聹y得數(shù)據(jù)出現(xiàn)空白或者數(shù)據(jù)壞死現(xiàn)象。

(3)設(shè)備起始和終了位置要放在有流速的位置，避免左右岸淺灘位置流速小出現(xiàn)設(shè)備向上游跑動，導(dǎo)致面積、水面寬、水深等水文參數(shù)測量不準(zhǔn)確，從而影響整個測次的成果精度。

(4)要隨時注意流速矢量線與羅經(jīng)變化過程是否匹配，當(dāng)羅經(jīng)變化正常時，斷面上流速矢量線基本平行，航跡變化平緩，反之，當(dāng)羅經(jīng)出現(xiàn)異常時，斷面上流速矢量線會出現(xiàn)不規(guī)則變化。

(5)只要船速不大于流速，就可以勻速快速測量，切忌片面追求低速運行從而喪失該設(shè)備快速測量的功效。

4 比測成果評價分析

4.1 大山口水文站比測成果分析

(1)大山口站33次測次分布涵蓋了高、中、低水的完整過程，資料系列代表性好；從表1成果統(tǒng)計分析，ADCP與流速儀測得流量相對誤差均在±5%以內(nèi)，最大相對誤差為4.8%，最小相對誤差為0%，歷次流量相對誤差均值為0.8%，流量測驗精度高；歷次測流面積相對誤差均值為-3.3%，歷次測流流速相對誤差均值為4.7%，說明流量測驗相關(guān)重要參數(shù)測驗精度高。

(2)點繪流速儀與ADCP流量相關(guān)關(guān)系圖(圖1)，可以看出兩者相關(guān)關(guān)系很好，流速儀與ADCP流量率定直線相關(guān)方程為：Q(轉(zhuǎn)子流速儀)=0.994 1Q(ADCP)-0.480 6，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999 4，相關(guān)性很高。

圖1 大山口水文站ADCP與流速儀流量相關(guān)關(guān)系圖

4.2 他什店水文站比測成果分析

(1)他什店站39次測次分布涵蓋了高、中、低水的完整過程，資料系列代表性好；從表2成果統(tǒng)計分析，ADCP與流速儀測得流量相對誤差均在±5%以內(nèi)，最大相對誤差為4.8%，最小相對誤差為0.4%，歷次流量相對誤差均值為-0.5%，流量測驗精度高；歷次測流面積相對誤差均值為1.0%，歷次測流流速相對誤差均值為-0.5%，說明流量測驗相關(guān)重要參數(shù)測驗精度高。

(2)點繪流速儀與ADCP流量相關(guān)關(guān)系圖(圖2)，可以看出兩者相關(guān)關(guān)系很好，流速儀與ADCP流量率定直線相關(guān)方程為：Q(轉(zhuǎn)子流速儀)=1.009 9Q(ADCP)-0.207 1，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.997 4，相關(guān)性很高。

圖2 他什店水文站ADCP與流速儀流量相關(guān)關(guān)系圖

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

(1)通過對比實驗分析，巡航式ADCP應(yīng)用于開都河大山口、孔雀河他什店水文站，測驗成果與流速儀測驗成果高度一致，精度可靠，完全可以作為水文資料采集的常規(guī)測流手段。

(2)通過對比實驗分析，確定大山口水文站ADCP相關(guān)參數(shù)取值為：入水深度0.10 m；岸邊數(shù)據(jù)組10；岸邊系數(shù)0.35；底部流量估算方法冪函數(shù)0.166 7；頂部流量估算方法冪函數(shù)0.166 7。

(3)通過對比實驗分析，確定他什店水文站ADCP相關(guān)參數(shù)取值為：入水深度0.08 m；岸邊數(shù)據(jù)組10；岸邊系數(shù)0.70，底部流量估算方法冪函數(shù)0.166 7；頂部流量估算方法冪函數(shù)0.166 7。

(4)從對比實驗分析看，巡航式ADCP測流系統(tǒng)能有效解決水庫壩下流量變化大、過程控制難以及水庫壩上流量受回水頂托關(guān)系紊亂、低速測驗精度低的問題，同時，也極大提升了測流效率，降低了勞動強度。

5.2 建議

(1)ADCP作為先進(jìn)的測驗設(shè)備，在海洋勘測、水庫測量、大江大河測驗等工作中，已充分展示出了測驗精準(zhǔn)、方便快捷的特點，其普及應(yīng)用具有重要的社會經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義，建議相關(guān)水文部門、水管部門在境內(nèi)河流水量監(jiān)測中大力推廣使用。

(2)大山口水文站受上游水庫工程影響含少量很低，2018年、2019年年平均含沙量分別為0.007 kg/m3、0.013 kg/m3，最大含沙量也不足0.10 kg/m3；他什店水文站沒有實測含沙量資料，但考慮到其水量來源于博斯騰湖揚水站，所以其含沙量也很低。因此，建議相關(guān)部門繼續(xù)在含少量較大的塔里木河、車爾臣河引進(jìn)巡航式ADCP，對比分析該型儀器設(shè)備對含少量的使用限制條件。