歐芳蘭

（欽州水文分局，廣西 欽州 535000）

0 引言

感潮水文站的流量測驗包括潮水、潮洪混合及洪水等流量的測驗，是由河口水流特性決定的。在測驗河段，受淺海天文潮期影響顯著，漲潮時潮水從近海流入河口，落潮時潮水則同河水一并從測驗河段流向海洋，形成水位周期漲落、流向倒順變動的往復(fù)水流。一般情況下，1 個潮流變化過程從漲潮流開始至落潮終了，每日整個往復(fù)流過程可劃分為以下 4 個階段：1）漲潮落潮流，當淺海潮流侵入河口之初，海水因密度較大潛入河底向上游推進，此時河口水位上升，水面坡降變緩，但上層水流方向仍指向下游，此時，在感潮河段內(nèi)，流速垂線分布呈上下 2 層，上層為淡水，流向下游，下層為咸水，向上游推進；2）漲潮漲潮流，隨著海水的上漲，河口水位不繼上升，水面轉(zhuǎn)向上游傾斜，落潮流經(jīng)歷憩流（即潮流速降為零）以后在整個斷面上水流轉(zhuǎn)向，變?yōu)闈q潮流；3）落潮漲潮流，當潮波向上游推進至相當距離后，海洋中已開始落潮，河口內(nèi)的水位也隨之下降，此時水面比降雖趨于平緩，漲潮流速逐漸減小，但在慣性力作用下，水流方向仍指向上游；4）落潮落潮流，河口水位繼續(xù)下降，水面已轉(zhuǎn)向下游傾斜，漲潮流經(jīng)歷憩流以后，在整個斷面上水流方向轉(zhuǎn)向下游，變?yōu)槁涑绷?。潮汐河口的這種水流特征，使流量與一般河流中單向水流的流量概念不同。因此河流自然流態(tài)在潮水漲、落的影響下，順逆變化，給河流流量的測驗帶來很大的影響。

1 黃屋屯站感潮水文站介紹

茅嶺江是桂南沿海獨流入海河流，流域中上游森林植被較好，水土保持較好，水土流失較輕。

黃屋屯水文站是茅嶺江重要的控制站，是廣西目前唯一進行流量測驗的感潮水文站，距河口約 17.5 km，潮汐影響顯著，屬流量 2 類精度站，控制面積 1826 km2，水位流量關(guān)系極其復(fù)雜。測驗河段較為順直，無水生植物生長。測驗斷面河床右岸為風化石，左岸為沙質(zhì)和淤泥。潮水位變幅不大，大潮潮差 4 m 左右，水面寬在 100～120 m 之間，水深適中，最低水位平均水深 2.11 m，中泓附近水深 4 m 左右，流速較小。實測最高水位 8.78 m，最大流量 3130 m3/s，最大測點流速 2.97 m/s，歷年水位變幅 9.25 m。

黃屋屯水文站 1971年6 月設(shè)站觀測水位，1974 年開始在汛期進行流量測驗，1978年1 月開始進行常規(guī)流量測驗，主要采用傳統(tǒng)流速儀進行施測，2005年12 月年開始使用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）測量流量。

2 傳統(tǒng)流速儀測量方法 [1-2]

黃屋屯水文站受諸多因素的影響，流量測驗工作繁雜困難。洪水及潮洪混合流量測驗始于 1974 年汛期，同年又進行為期 1 個月的潮流量連續(xù)測驗，積累了一定數(shù)量的實測流（潮）量資料，據(jù)此分析確定斷面代表線法、常測法 2 種流量測驗方案。一般情況下，代表線法適合潮流量測驗，常測法用于洪水流量的測驗，2 種測驗方案均用纜道進行施測。黃屋屯水文站的洪水流量測驗和定線推流方法與一般江河站無異，潮流量推流則較為復(fù)雜。通過對大量的實測潮流量資料進行分析和檢驗，采用如下定線推流方法：1）點繪有效潮差 ΔZ 與實測平均流量 Q 關(guān)系，以本站高（低）潮位 Zc 為參數(shù)，繪制ΔZ-Q 關(guān)系曲線；2）根據(jù)各實測點的潮差 ΔZ，在關(guān)系曲線上查得定高（低）潮位流量 Qc，計算 Q/Qc；3）初步繪制實測潮位 Zc-Q/Qc 關(guān)系曲線，如實測點集中，定線精度達到規(guī)范要求，即可以推流，如果定線精度達不到規(guī)范要求，應(yīng)修正定高（低）潮位的 ΔZ-Q 關(guān)系曲線，并重復(fù)以上步驟，直至符合要求；3）推流時，先根據(jù)各個潮流期的潮差 ΔZ，在關(guān)系曲線上查出定高（低）潮位的流量 Q，再根據(jù)相應(yīng)潮流期的高（低）潮位 Zc，在關(guān)系曲線上查出流量比 Q/Qc，2 者相乘即得平均流量，再乘以漲（落）潮潮流歷時，即得相應(yīng)潮量。

測量特點：1）傳統(tǒng)流速儀性能穩(wěn)定；2）使用期長，價格低，一般每 2 年檢測 1 次流速儀公式，就可以無限期使用；3）計算工作量大，測次多，一般 1 個潮期大約測 20 多份流量；4）測驗誤差大，誤差來源主要是測速誤差，傳統(tǒng)流速儀流測范圍一般是 0.01 m/s 以上的流速，沒有流向判別。

3 ADCP 測量方法 [3]

黃屋屯站采用的 ADCP 測流主要為連續(xù)實測河道斷面一定范圍內(nèi)的平均流速，稱為 ADCP 指標流速，通過分析 ADCP 指標流速與斷面平均流速的關(guān)系，根據(jù)指標流速，計算斷面平均流量。

3.1 測量特點

1）方法簡單，計算工作量少；2）測驗誤差小，有流向判別；3）性能不太穩(wěn)定，每年都要進行一定數(shù)量的比測；4）使用周期短，價格高，一般使用壽命為 10 a 左右。

3.2 測量原理

ADCP 是利用向水中發(fā)射超聲波束，由隨水移動的懸浮顆粒反射，發(fā)生多普勒頻移，通過高分辨的儀器接收、解算返回波束頻率的差別得到瞬時流速。

3.3 儀器安裝

ADCP 安裝在起點距 34 m 處由 2 支角鋼做成的支架上，架頂高于儀器 0.40 m，不露出水面，不易掛漂浮物，ADCP 測流斷面位于基本水尺斷面下游10 m，距離流速儀測流斷面 7.5 m，儀器位置的河底高程為 -1.55 m，儀器高程 -1.05 m，儀器高程比歷史最低水位低 0.53 m，距離河底 0.50 m。黃屋屯站ADCP 安裝示意圖如圖 1 所示。

圖1 黃屋屯站 ADCP 安裝示意圖

根據(jù) ADCP 制造公司提供的參數(shù)，波束中心水深與最大測量單元為 1∶40，波束射角 3° 無障礙物，也就是測量距離為 80 m 時，80 m 處的水深要保證 4 m 以上。黃屋屯站歷年實測最低水位為 - 0.52 m。

測量區(qū)間用 2～28 m（起點距 36～62 m），儀器高程 -1.05 m，此時儀器中心的最小水深為 0.53 m，如果儀器安裝絕對水平則量程只能達到 21 m（28 m 量程需要最小水深 0.73 m）。此處河底高程為 -2.6 m，距儀器平面 1.55 m，在此量程下不受河底的影響。

由于儀器沒有安裝姿態(tài)調(diào)整裝置，安裝未達到絕對水平，有可能發(fā)射的聲波打到水面或者河底，引起儀器流速測量時的干擾，在低、高水位進行波束檢查，在測量范圍內(nèi)未見回波干擾，信號強度足夠，測量范圍合理，ADCP 流速數(shù)據(jù)可供使用。設(shè)置平均間隔 60 s，采樣間隔 300 s。

3.4 儀器使用

黃屋屯站采用的 ADCP 是 500 kHz 定點式（橫向測驗）ADCP，是側(cè)置式多普勒流速儀器，安置在河岸 1 側(cè)，測量水下特定區(qū)域范圍的層流速（指標流速），這和傳統(tǒng)的代表垂線的作用是相同的，可以在線監(jiān)測。但測量后，還須用指標流速和斷面平均流速建立關(guān)系（即相關(guān)分析法或回歸法），進而實現(xiàn)斷面流量的實時監(jiān)測。

儀器測量參數(shù)如下：

1）測量流速范圍為 ± 6 m/s；2）分辨率為 0.001 m/s；3）精度為測量流速的 ± 1 % ；4）實測的最大水平單元長度為 120 m；5）采樣間隔為10～43200 s；5）儀器記錄器帶有 2 MB 的存儲量，可以存儲 100000 個采樣數(shù)據(jù)。

整個 ADCP 系統(tǒng)由水下探頭和實時處理軟件 2 部分組成，探頭上部為 2 個可發(fā)射與儀器垂直方向呈 25° 角聲學波束的換能器，用來測得水層段內(nèi)的平均流速；實時處理軟件通過儀器的 RS-232 接口可對采樣頻次、單元長度等參數(shù)進行設(shè)置，連接計算機時可實現(xiàn)水位、流速和流量的實時顯示，采用自動連續(xù)測量配置模式時可以脫開計算機對流速自動連續(xù)采樣并存儲。由于本站沒有配備專用的電腦，外接設(shè)備只有連接 12 V 的直流電源。需要數(shù)據(jù)時只要進行數(shù)據(jù)采集和輸出處理即可。

定點式 ADCP 每 5 min 采集 1 個流速數(shù)據(jù)，采集的流速過程如圖 2 所示。從圖 2 看出，實測流速點據(jù)分布在 ADCP 流速過程線上（或 2 側(cè)）。

圖2 2006年7 月黃屋屯站實測流速過程線圖

3.5 流速、流量比測和率定

用常規(guī)流速儀法對 ADCP 的實測流速、流量進行比測分析，率定 ADCP 的實測流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，求出相關(guān)系數(shù)，從而根據(jù) ADCP 實測指標流速推求流量。

3.5.1 流速比測與率定

2006 年通過比測，將 2 種儀器的同步流速數(shù)據(jù)，使用回歸分析進行計算，繪制 ADCP 指標流速vADCP與實測斷面平均流速 vC關(guān)系曲線，關(guān)系曲線如圖 3 所示 。回歸方程式為：

相關(guān)系數(shù) R = 0.99820

圖3 2006 年黃屋屯站實測流速與 ADCP 流速關(guān)系圖

從相關(guān)系數(shù)看出斷面平均流速與 ADCP 所測流速有較好關(guān)系。

3.5.2 流量比測分析

2006年ADCP 流速關(guān)系率定后，2008 年共比測 2 次，比測樣本包括洪水、潮洪混合和潮流量。其中代表線法流量 11 次，均為漲潮負流量，多線多點法流量測次 43 次，流量總測次 54 次。測流水位在 - 0.52～6.19 m 之間，斷面平均流速在 - 0.41～2.27 m/s 之間，流量為 - 241～2200 m3/s。

2008 年比測測次主要為儀器安裝后遇到的最大洪水過情，按水位級布置測次如下：3.00 m 以下有 32 個測次，3.00～4.00 m 有 8 個測次，4.00～5.00 m有 6 個測次，5.00～6.00 m 有 5 個測次，6.00 m 以上 4 個測次，各水位級分布均勻。

按流速級布置測次如下：- 0.41～0.00 m/s 有 11 個測次，0.00～0.50 m/s 有 7 個測次，0.50～1.00 m/s有 7 個 測 次 ， 1.00 ～ 1.50 m/s 有 10 個 測 次 ，1.50～2.00 m/s 有 9 個測次，2.00 m/s 以上 6 個測次，各流速級分布均勻。

按 ADCP 指標流速分段：1.58 m/s 以下有 34 個測次，1.58 m/s 以上有 20 個測次。

2008 年比測收集的流速流量資料比實測最低水位高 0.01 m，比實測最高水位低 2.84 m，各水位級、流速級分布均勻，點據(jù)足夠，定點式 ADCP 從安裝至今流速采樣正常，記錄完整，滿足關(guān)系線分析的要求。比測關(guān)系如圖 4 所示。從圖 4 看出，實測流量與 ADCP 計算流量關(guān)系良好，可直接采用。

圖4 2008 年黃屋屯站實測流量與 ADCP 流量關(guān)系圖

3.5.3 流量資料整編成果誤差分析

黃屋屯站在不受洪水影響情況下用定潮汐要素法推流，洪水及洪潮混合時按連時序法定線推流。比測期間只有 1 場洪水，起始時間為 2008年8月7日 18時 6 分，結(jié)束時間為 8月11日 5 時。使用 ADCP 計算的與人工定線推算的次洪水量進行比較，次洪水總量誤差為 0.41 %，最大流量誤差為 - 0.46 %。具體誤差統(tǒng)計如表1 所示。

表1 次洪水洪量誤差統(tǒng)計表

3.5.4 率定資料質(zhì)量評定

用復(fù)合線性關(guān)系式計算流量誤差統(tǒng)計：系統(tǒng)誤差為 0.61 %，標準差為 3.40 %，不確定度 6.80 %，達到 SD121-84《水文纜道測驗規(guī)范》的流量測驗精度要求。

根據(jù) SL337-2006《聲學多普勒測流規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定：采用橫向法的自動監(jiān)測站，其流量測驗精度應(yīng)滿足 SLl95-97《水文巡測規(guī)范》要求。

SLl95-97規(guī)定：不能進行單值化處理的非單一水位流量關(guān)系線的 2 類精度的水文站，次洪水總量誤差小于 6 %。ADCP 測驗次洪水總量誤差為0.41 %，達到 1 類精度水文站測驗精度要求。

4 測驗方法比較

1）采用 ADCP 實時測流，每 5 min 采集 1 個數(shù)據(jù)，直接采用連實測流量過程線法推流，避免了傳統(tǒng)流速儀測法定線推流，減輕了水文站測流壓力，同時也簡化了傳統(tǒng)定線推流的復(fù)雜性，減少了查圖的任意性，降低了推流誤差。

2）傳統(tǒng)流速儀測速分辨率為 0.01 m/s，ADCP 測速分辨率為 0.001 m/s；ADCP 測速分辨率更接近漲（落）潮憩流時流速，測驗精度大大提高。

3）傳統(tǒng)流速儀無流向判別，測潮時只能測水面流速，目測流向；ADCP 能測特定水層的指標流速，測速范圍 ± 6 m/s。

4）采用 ADCP 實時測流，只要建立指標流速和斷面平均流速關(guān)系，就能實現(xiàn)斷面流量的實時監(jiān)測，實現(xiàn)實時在線及遙報流量。

5 結(jié)語

水位對 ADCP 指標流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系式有影響，高（低）水相關(guān)關(guān)系不同。比測試驗結(jié)果表明：黃屋屯站的 ADCP 的位置和采樣區(qū)域主要在一定范圍內(nèi)，其代表性良好，相關(guān)關(guān)系式按流速分為 2 段可滿足流量測驗精度。黃屋屯站用ADCP 進行的潮流量比測結(jié)果表明，對流量變化相對比較規(guī)律的感潮水文站來說，定點式 ADCP 是比較適合使用的，其測量成果既達到流量測驗的精度要求，又減少了工作量，對這類水文站來說，這種儀器是比較適用的測量設(shè)備。若該設(shè)備使用穩(wěn)定性能提高到常規(guī)流速儀的水平，則更好。

[1]水利部. GB50179-93 河流流量測驗規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，1993: 17-40.

[2]中國水電出版社. SL247-1999 水文資料整編規(guī)范[S]. 北京：中國水電出版社，2000: 45.

[3]中國水電出版社. SL337-2006，聲學多普勒流量測驗規(guī)范[S]. 北京：中國水電出版社，2006: 2-12.