陳嘉翰
(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局,湖北 武漢 430012)
螺山水文站是長(zhǎng)江中游干流的重要水文站,水位流量關(guān)系為繩套型,采用單值化布置測(cè)驗(yàn)。隨著沙洲和水情的演變,對(duì)水文監(jiān)測(cè)的要求越來(lái)越高,為了更便捷有效提供精度可靠的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù),急需開展流量在線監(jiān)測(cè)的研究工作。但是目前針對(duì)水位年變幅大且為復(fù)式河床的大江水文站測(cè)驗(yàn)斷面,還未開展全面比測(cè)工作[1],為推進(jìn)相關(guān)工作的穩(wěn)步開展,本文根據(jù)《流量在線監(jiān)測(cè)方法適應(yīng)性技術(shù)指南》[2]的要求,研究各種流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備在螺山水文站的應(yīng)用前景,為后期采納并開展比測(cè)推薦較優(yōu)的設(shè)備選型方案。
螺山水文站始建于1952年,位于湖北省洪湖市境內(nèi),是長(zhǎng)江荊江與洞庭湖出流匯合后的國(guó)家一類基本水文控制站,國(guó)家重要報(bào)汛站,控制流域面積1 294 911 km2。沙質(zhì)河床不穩(wěn)定呈W型,斷面沖淤變化較大,主泓位置歷年有所擺動(dòng)。目前主要流量測(cè)驗(yàn)儀器有走航式ADCP、流速儀等。
螺山水文站測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約4 km,位于長(zhǎng)江中游重要礙航河段——界牌河段。測(cè)驗(yàn)斷面上距長(zhǎng)江與洞庭湖的匯合口30 km、上距楊林山和龍頭山天然卡口約10 km,下距南門洲約17 km(圖1~2);測(cè)驗(yàn)斷面左岸上游140 m建有螺山電排站,最大排水量為200 m3/s,右岸上游350 m建有排灌站,在排灌站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面近岸區(qū)域水流有一定的影響。中低水時(shí)期,江心洲顯露,給測(cè)驗(yàn)工作加大了難度。
圖1 測(cè)驗(yàn)河段示意Fig.1 Map of test reach
圖2 測(cè)驗(yàn)斷面布置Fig.2 Layout of test section
1.2.1 測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀
按《水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)書》規(guī)定,螺山全年按水位-流量單值化方案布置測(cè)次,主要采用水文測(cè)輪搭載走航式ADCP施測(cè)(表1)。
表1 近年流量測(cè)次統(tǒng)計(jì)
螺山流量測(cè)驗(yàn)在單次成果精度和測(cè)次布置上存在的問(wèn)題如下:
(1) 在沙洲顯露時(shí),右汊流速和水深相對(duì)主泓(左汊)明顯偏小,測(cè)驗(yàn)耗時(shí)較多;
(2) 測(cè)驗(yàn)斷面上游有楊林山和龍頭山天然卡口和沙洲攪流,測(cè)驗(yàn)難度增加;
(3) 左汊晝夜航道運(yùn)行,測(cè)驗(yàn)難度增加。
1.2.2 水沙特性分析
沙洲頂部高程年內(nèi)、年際均有沖淤變化,以2020年為例,在汛前水位26.47 m(4月2日)、汛后水位24.21 m(10月29日)以下時(shí),江心洲就會(huì)顯露,且近年來(lái)1月份前后右汊過(guò)水流量明顯減小,整理 2020年全年實(shí)測(cè)流量左右汊占比,左汊流量與右汊流量比為4∶1左右。
整理2018~2020年螺山站實(shí)測(cè)最大流量見表2,分析可知左汊流量占比基本穩(wěn)定在80%,左右汊流量占比在年最大洪水過(guò)程時(shí)多年變化較小。
表2 實(shí)測(cè)最大流量左右汊占比統(tǒng)計(jì)
繪制2018~2020年的主汛期大斷面圖,對(duì)比分析可看出同水位下過(guò)水?dāng)嗝婷娣e逐年減小,淤積較為明顯,沙洲有逐年向右遷移的趨勢(shì)(圖3)。
圖3 大斷面圖Fig.3 Great profile
螺山站2017~2020年水位在18.8 m以上,使用測(cè)船ADCP搭載走航式施測(cè)了208次流量,主流在左汊主泓的起點(diǎn)距425~775 m范圍內(nèi)擺動(dòng)。
選取大斷面起點(diǎn)距D=135,275,425,585 m垂線和135+275 m,135+275+425 m的垂線的組合建立的區(qū)域流量(大斷面起點(diǎn)距D=100~200 m,100~400 m區(qū)域)和全斷面流量進(jìn)行相關(guān)分析,得出起點(diǎn)距585 m的垂線和2組垂線組合建立的區(qū)域流量線性相關(guān)性好,近年來(lái)相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,符合流量在線監(jiān)測(cè)方法適應(yīng)性的可行性分析條件——具備代表垂線或代表性的區(qū)域流速(以2020年為例,見圖4~6)。
圖4 D=585 m部分流量與斷面流量相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation diagram between partial flow and section flow (D=585 m)
圖5 D=100~200 m區(qū)域流量與斷面流量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100~200 m)
圖6 D=100~400 m區(qū)域流量與斷面流量相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation diagram between regional flow and section flow (D=100~400 m)
對(duì)2018~2020年代表線或區(qū)域流量與全斷面流量的相關(guān)關(guān)系按照《水文資料整編規(guī)范》有關(guān)公式進(jìn)行三線檢驗(yàn)計(jì)算,結(jié)果如下。
2.2.1 符號(hào)檢驗(yàn)
采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算:
(1)
式中:u為統(tǒng)計(jì)量;n為測(cè)點(diǎn)總數(shù);k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù);u1-α/2為標(biāo)準(zhǔn)值。若u 表3 代表垂線或區(qū)域相關(guān)關(guān)系符合檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(α=0.05) 2.2.2 適線檢驗(yàn) 采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算: (2) 式中:u為統(tǒng)計(jì)量;n為測(cè)點(diǎn)總數(shù);k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)。若u 表4 代表垂線或區(qū)域相關(guān)關(guān)系適線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(α=0.05) 表4中僅2019年通過(guò)適線檢驗(yàn),最可能的原因是螺山采用單值化方案布置測(cè)點(diǎn),年最高洪水位之前測(cè)點(diǎn)主要布置在漲水面,汛后補(bǔ)級(jí)差、沙推測(cè)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)基本都在落水面上所致。 2.2.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn) 采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算: (3) 表5 代表垂線或區(qū)域相關(guān)關(guān)系偏離數(shù)值檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(α=0.05) 以上分析可知,2017~2020年選取的全年代表垂線流量(或區(qū)域流量)和全斷面流量建立的關(guān)系雖不是最優(yōu),但也說(shuō)明左汊主泓部分與全斷面流量具有較為顯著的代表性。為此,本文接下來(lái)將分析其沙洲被淹沒(méi)后的中高水位部分,尋找部分代表區(qū)域與全斷面相關(guān)關(guān)系是否存在更優(yōu)的關(guān)系。 查閱圖3,在水位高于26 m期間沙洲處于淹沒(méi)狀態(tài),隨即選取2020年相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其三線檢驗(yàn)結(jié)果如下: (1) 符號(hào)檢驗(yàn)u=1.10<1.96,合格; (2) 適線檢驗(yàn)u=3.74>1.64,不合格; (3) 偏離數(shù)值檢驗(yàn)|t|=2.08>1.96,不合格。 即單獨(dú)采用沙洲淹沒(méi)后的流量建立的相關(guān)關(guān)系也未達(dá)到預(yù)期值。 綜上所述,選取的代表垂線D=585 m和100 m≤D≤400 m部分流量雖不是最優(yōu)解,但也能在一定置信水平上用于推算全斷面流量,適宜開展在線監(jiān)測(cè)技術(shù)布設(shè)方案的優(yōu)選工作。 根據(jù)上述分析可知,螺山流量測(cè)驗(yàn)斷面具有代表性區(qū)域的起點(diǎn)距范圍是100~400 m,左汊流量在全斷面流量中占比權(quán)重顯著,因此可考慮在左岸部署適用的流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)其代表區(qū)域流量,建立與全斷面的相關(guān)關(guān)系,用以提高流量監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)與預(yù)警水平,并指導(dǎo)常規(guī)測(cè)驗(yàn)布置。 參照長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局發(fā)布的《流量在線監(jiān)測(cè)方法適應(yīng)性技術(shù)指南》[2],根據(jù)傳感器是否接觸水體,通??梢詫⒘髁吭诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩個(gè)大類;按照測(cè)流原理又分為聲學(xué)法、雷達(dá)法、圖像法及水力學(xué)法等。各類非接觸式和接觸式水文自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備已在不同流域或站點(diǎn)中得到一定的應(yīng)用,本文對(duì)可部署在螺山流量測(cè)驗(yàn)斷面的設(shè)備可行性開展分析。 2.3.1 聲學(xué)法 聲學(xué)法可分為時(shí)差法和多普勒法,受螺山站測(cè)驗(yàn)環(huán)境影響,此次以超聲波時(shí)差法和固定式ADCP為例,進(jìn)行適應(yīng)性分析。 2.3.1.1 超聲波時(shí)差法 (1) 測(cè)驗(yàn)對(duì)象:可測(cè)量水平層平均流速,可多層布設(shè)。 (2) 測(cè)量范圍:2~200 m。 (3) 優(yōu)點(diǎn):直接測(cè)得代表層平均流速。 (4) 布設(shè)難點(diǎn):① 螺山斷面左岸為自然山地,中泓中低水部分有沙洲,右岸為堤防,且水位變幅通常在13 m以上,需要左右汊、低中高水多套部署,且沙洲部分儀器部署困難;② 左汊為主流且是主航道,加之上游臨近螺山電排站,儀器易受到干擾;③ 兩側(cè)安裝難以實(shí)現(xiàn)[3]。 2.3.1.2 固定式ADCP 固定式ADCP的測(cè)量范圍與優(yōu)點(diǎn)見表6,其布設(shè)難點(diǎn):① 由于螺山斷面分汊,右汊淺水較難部署;② 左汊主泓位置在200 m以外、水平式ADCP受斷面寬度、水位變幅大的影響需要多級(jí)布置;③ 垂直式ADCP中泓附近受船只通航干擾影響較大。結(jié)合螺山站水沙特性及斷面實(shí)際情況分析,單一的一組ADCP無(wú)法滿足全水位級(jí)的測(cè)驗(yàn)需求,需要采用多儀器組合布設(shè)方式,如部署2個(gè)以上水平式ADCP加2個(gè)垂直式ADCP的方案,方能滿足螺山站流量在線監(jiān)測(cè)的精度要求,主泓或臨近主泓部署垂直式ADCP雖然代表線最佳,但因主流在左汊且又是主航道,很難保障儀器的安全采集,因而采用接觸法測(cè)驗(yàn)受當(dāng)?shù)丨h(huán)境的制約條件較多。 表6 固定式ADCP的測(cè)量范圍和優(yōu)點(diǎn)[4] 2.3.2 雷達(dá)法 雷達(dá)法常利用點(diǎn)雷達(dá)流速儀和雷達(dá)側(cè)掃(超高頻雷達(dá)、甚高頻雷達(dá)),其適應(yīng)性分析如下。 2.3.2.1 點(diǎn)雷達(dá)流速儀 (1) 測(cè)量對(duì)象:水面點(diǎn)流速。 (2) 測(cè)量范圍:?jiǎn)吸c(diǎn)。 (3) 優(yōu)點(diǎn):① 不受水質(zhì)、漂浮物影響;② 機(jī)動(dòng)性高,可用于巡測(cè)。 (4) 布設(shè)難點(diǎn):① 對(duì)惡劣測(cè)量條件敏感,② 需要水面存在強(qiáng)反射,③ 低流速測(cè)量誤差大。 根據(jù)該設(shè)備的特點(diǎn),結(jié)合螺山站斷面實(shí)況分析,由于缺少橋梁、纜道等安裝條件[5-7],目前不適用于螺山站使用。 2.3.2.2 側(cè)掃雷達(dá)(超高頻雷達(dá)、甚高頻雷達(dá)) (1) 測(cè)量對(duì)象:水面流速場(chǎng)。 (2) 測(cè)量范圍:30~500 m。 (3) 優(yōu)點(diǎn):可獲得水面流速分布。 (4) 布設(shè)難點(diǎn):① 需現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)標(biāo)定;② 單站布置效果不理想;③ 左岸斷面附近等待過(guò)船閘的船只和主航道通行船舶對(duì)連續(xù)測(cè)驗(yàn)存在干擾[8]。 根據(jù)設(shè)備以上特性,結(jié)合螺山站斷面實(shí)況分析,宜布設(shè)雙站。 2.3.3 圖像法 圖像法常見為圖像測(cè)速法[9-10]。 (1) 測(cè)量對(duì)象:水面成像測(cè)速(RSIV)或水面流速(視頻攝像)。 (2) 測(cè)量主要影響因素:依賴示蹤物的可見性,與偏振濾波方式有關(guān)。 (3) 優(yōu)點(diǎn):① 時(shí)空分辨率高,② 測(cè)量范圍廣,③ 機(jī)動(dòng)性高。 (4) 布設(shè)難點(diǎn):圖像測(cè)速法依賴于示蹤物的可見性且成像環(huán)境易受干擾,加之螺山右岸無(wú)制高點(diǎn),左汊江面船只較多,圖像測(cè)速法部署條件較差。 依據(jù)螺山水文站2017~2020年實(shí)測(cè)流量成果,對(duì)其測(cè)站特性進(jìn)行了分析,建立了代表區(qū)域與全斷面流量的關(guān)系,得出起點(diǎn)距585 m垂線和起點(diǎn)距100~400 m范圍的代表流速與全斷面平均流速相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)大于0.9,可以作為在線監(jiān)測(cè)的代表流速垂線和代表流速區(qū)域,可在其范圍內(nèi)應(yīng)用本文2.3方案分析中提及的相關(guān)設(shè)備。布設(shè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器組合方式建議如下: (1) 受水位變幅大、中低水位沙洲導(dǎo)致兩側(cè)安裝難實(shí)現(xiàn)、成本太高等因素制約,不推薦超聲波時(shí)差法[11]。 (2) 左汊主泓附近布設(shè)1臺(tái)垂直ADCP+1套水平式ADCP,但是主泓布設(shè)垂直ADCP特別容易受到通航影響,難以確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定采集數(shù)據(jù),需要協(xié)調(diào)航道、海事等相關(guān)部門加強(qiáng)維護(hù)措施才能有效工作。 (3) 考慮水位年變幅達(dá)13 m,分水位級(jí)布設(shè)2~3級(jí)水平式ADCP或分設(shè)掃描式ADCP,受左岸避風(fēng)、等候過(guò)船閘的船舶的影響以及螺山泵站排水時(shí)對(duì)左岸流量的干擾等因素,本方式也難以確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)。 (4) 點(diǎn)雷達(dá)法、圖像法在本斷面缺乏應(yīng)用條件,也無(wú)大江大河的成果案例。 (5) 雙站式超高頻側(cè)掃雷達(dá),目前在大江大河中成功應(yīng)用的案例不多,在仙桃水文站的精細(xì)比測(cè)尚在進(jìn)行中,中泓以外兩側(cè)表層流速的算法也正在探索中,從測(cè)速范圍大、儀器能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行方面看,解決了精度和算法的優(yōu)化后本方案具備使用條件。 綜上所述,在螺山斷面可采用垂直ADCP開展流量在線監(jiān)測(cè);在解決了精度和算法的優(yōu)化后,也可采用雙站側(cè)掃雷達(dá)開展流量在線監(jiān)測(cè)。流量在線監(jiān)測(cè)可用于超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè),為洪水防御提供支撐。2.3 在線監(jiān)測(cè)方案分析
3 結(jié) 論