徐珊珊，馮弋珉，孔 斌

(江西省贛州市水文局，江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著水資源開發(fā)利用程度的提高，新建河道水利工程增多，受其影響的水文測(cè)驗(yàn)河段，水位壅高、水深增大、流速減緩、流量多變，測(cè)驗(yàn)河段水流狀態(tài)發(fā)生明顯變化。如何在該河段監(jiān)測(cè)流量時(shí)，提高測(cè)驗(yàn)精度、簡化測(cè)驗(yàn)程序、保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量，為防汛抗旱決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)流量信息，以及積累真實(shí)可靠的流量資料，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)，是河道流量測(cè)驗(yàn)面臨的一個(gè)重要課題。ADCP作為一種新型的聲學(xué)多普勒測(cè)流儀器，具有速度快、信息化水平高等優(yōu)勢(shì)，是解決這一問題的有效途徑。

1 測(cè)站基本情況

1.1 壩上水文站

壩上水文站地處章水河口上游約11 km，集水面積7 657 km2，屬于長江流域鄱陽湖區(qū)贛江水系一級(jí)支流章水控制站，為一類精度水文站，是國家重要基本水文站，1953年設(shè)立至今，實(shí)測(cè)最大流量5 060.00 m3/s，實(shí)測(cè)最小流量3.57 m3/s，2002年5月地處章水河口上游約450 m處的八境湖水庫建成蓄水前，主要受不經(jīng)常性沖淤影響，水位流量關(guān)系多為臨時(shí)曲線，洪水期有時(shí)還受貢江回水頂托影響，水位流量關(guān)系短期內(nèi)呈時(shí)序性變化。八境湖水庫建成蓄水后，壩上水文站處在該水庫回水中段，中枯水水流狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，枯水時(shí)水位壅高2.30 m左右，建庫后水深是建庫前的4倍；平水時(shí)水位壅高1.50 m左右，建庫后水深是建庫前的1.8倍；建庫后中枯水流速僅為0.020～0.200 m/s。受八境湖水庫壅水影響，水位流量關(guān)系呈時(shí)序性變化，中低水尤為顯著，2003年以后采用連實(shí)測(cè)流量過程線法整編流量。

1.2 窯下壩(二)水文站

窯下壩(二)水文站地處章水中游的南康區(qū)蓉江鎮(zhèn)南水村河段，屬于長江流域鄱陽湖區(qū)贛江水系一級(jí)支流章水區(qū)域代表站，為二類精度水文站，2002年1月由其上游約4 km窯下壩水文站下遷至此，集水面積1 944 km2，實(shí)測(cè)最大流量1 600.00 m3/s，實(shí)測(cè)最小流量0.00 m3/s，2005年3月地處該站下游約4.5 km處的康陽水電站建成蓄水前，主要受不經(jīng)常性沖淤影響，水位流量關(guān)系為臨時(shí)曲線，中高水位水位流量關(guān)系單一且基本穩(wěn)定?？店査娬拘钏螅G下壩㈡水文站處在水庫回水中段，平水時(shí)水深從建壩前的1.00 m左右，壅高至4.00 m左右，枯水時(shí)水位壅高4.00 m左右，建庫后水深是建庫前的5倍；中枯水流速僅為0.070～0.300 m/s，水流狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，嚴(yán)重影響流速儀法流量測(cè)驗(yàn)精度；受康陽水電站壅水影響，水位流量關(guān)系呈時(shí)序性變化，中低水尤為顯著，2005年以后采用連實(shí)測(cè)流量過程線法整編流量。

2 比測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 儀器測(cè)流原理及優(yōu)缺點(diǎn)

(1)走航式ADCP的測(cè)量基本原理是物理學(xué)中的聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)聲源在移動(dòng)時(shí)，它相對(duì)于接收者的頻率將因?yàn)樵诮橘|(zhì)中傳播而發(fā)生相應(yīng)變化。在水流速度不是很大、河底沒有流沙的河道，采用底跟蹤系統(tǒng)對(duì)反射回來的聲波信號(hào)進(jìn)行處理。通過接收和處理河底反射回來的信號(hào)來確定船體的絕對(duì)速度和實(shí)測(cè)斷面處的平均水深，并通過接收和處理斷面水體中的顆粒物反射回來的信號(hào)來確定水流相對(duì)于船體的速度，從而得出水流的絕對(duì)速度[1]。

(2)在線式ADCP是采用了一種稱之為聲學(xué)多普勒頻移的物理原理來測(cè)量水流的速度。其測(cè)量原理是：如果一個(gè)聲源與接收聲波物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收聲波物體所接收到的聲波頻率與聲源發(fā)射的聲波頻率之間有一個(gè)差異，即有一個(gè)多普勒的頻移[2]。因此，測(cè)量得到的多普勒頻移就能得到相應(yīng)的點(diǎn)流速。

(3)流速儀法測(cè)流是目前流量流速測(cè)驗(yàn)應(yīng)用最廣泛、最基本的方法，也是目前衡量、評(píng)定各種測(cè)流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。該測(cè)驗(yàn)方法基于速度面積法，在斷面上布設(shè)測(cè)流垂線和測(cè)速點(diǎn)(一般采用積點(diǎn)法測(cè)量流速)，以測(cè)量斷面面積和流速。因此斷面的選擇對(duì)該測(cè)流方法非常重要，要求斷面選在河道順直、水流分布均勻、無旋渦或回流的地方，順直段需滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求，斷面垂直于水流方向[3]。

(4)不同儀器的優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 不同儀器的優(yōu)缺點(diǎn)比較表

2.2 比測(cè)條件

2.2.1 儀器的選用與安裝

壩上水文站走航式ADCP選用的是RiverSurveryor M9 聲學(xué)多普勒水流剖面儀；在線ADCP安裝的是美國維賽公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500)水平型測(cè)量系統(tǒng)。

根據(jù)實(shí)際地形、流態(tài)等情況，壩上水文站將在線ADCP儀器安裝在基本水尺斷面左岸，位于起點(diǎn)距26.00 m、高程94.75 m處(如圖1)。窯下壩(二)水文站安裝在基本水尺斷面右岸，位于起點(diǎn)距25.00 m，高程116.50 m處(如圖2)。

圖1 壩上水文站流速儀測(cè)速垂線布置圖

圖2 窯下壩(二)水文站流速儀測(cè)速垂線布置圖

2.2.2 壩上水文站走航式ADCP比測(cè)

壩上水文站走航式ADCP法流量與纜道流速儀法比測(cè)分析資料為2016年4月13日～2017年6月4日，共比測(cè)36次(高水3次，中水17次，低水16次)，流速儀法流量變幅76.40～1 730.00 m3/s，水位變幅96.30～99.57 m；走航式ADCP流量變幅75.00～1 669.00 m3/s，水位變幅96.30～99.57 m，最大流速1.200 m/s、最小流速0.074 m/s。

2.2.3 壩上水文站在線式ADCP比測(cè)

壩上水文站在線式ADCP法流量與纜道流速儀法比測(cè)分析資料為2014年11月27日～2015年6月21日，共比測(cè)95次(高水1次，中水30次，低水64次)，流速儀法流量變幅38.90～867.00 m3/s，水位變幅96.90～99.31 m；在線式ADCP法流量變幅35.10～1 037.80 m3/s，水位變幅96.90 m～99.31 m，最大流速0.706 m/s、最小流速0.036 m/s。

2.2.4 窯下壩(二)水文站在線式ADCP比測(cè)

窯下壩(二)水文站在線式ADCP法流量與纜道流速儀法比測(cè)分析資料為2016年2月2日～2017年7月3日，共比測(cè)42次(高水8次，中水31次，低水3次)(含9次走航式ADCP實(shí)測(cè)流量)，流速儀法流量變幅39.60～937.00 m3/s，水位變幅96.90～99.31 m；在線式ADCP法部分流量變幅25.00～807.00 m3/s，水位變幅116.77～119.42 m，最大流速1.920 m/s、最小流速0.100 m/s。

2.3 比測(cè)成果相關(guān)性分析

(1)點(diǎn)繪2016年壩上水文站走航式ADCP與流速儀實(shí)測(cè)流量共36次相關(guān)圖，見圖3。

圖3 壩上水文站走航式ADCP與纜道流速儀法流量關(guān)系圖

從圖3中可以看出，36次走航式ADCP實(shí)測(cè)流量和流速儀實(shí)測(cè)點(diǎn)在同一系列上，呈一密集帶狀分布，關(guān)系較為密集。求得相關(guān)流量方程：Q應(yīng)用=1.026×Q走航ADCP。適線、符號(hào)、偏離數(shù)值三檢合格：正點(diǎn)17、負(fù)點(diǎn)17、零點(diǎn)2；系統(tǒng)誤差為0、不確定度8.0%，相對(duì)誤差±8%以內(nèi)點(diǎn)次有33個(gè)，占總點(diǎn)數(shù)的91.7%，±5%以內(nèi)的點(diǎn)次30次，占總點(diǎn)次83.3%，符合本站流量測(cè)驗(yàn)精度要求，可直接采用走航式ADCP替代纜道流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)及整編。

(2)點(diǎn)繪2014年～2015年壩上水文站在線式ADCP與流速儀實(shí)測(cè)流量共95次相關(guān)圖，見圖4。

圖4 壩上水文站在線式ADCP與纜道流速儀法流量關(guān)系圖

從圖4中可以看出，95次在線式ADCP實(shí)測(cè)流量和流速儀實(shí)測(cè)點(diǎn)在同一系列上，呈一密集帶狀分布，關(guān)系較為密集。求得相關(guān)流量方程：Q應(yīng)用=0.939×Q在線ADCP。適線、符號(hào)、偏離數(shù)值三檢合格：正點(diǎn)45、負(fù)點(diǎn)：50；系統(tǒng)誤差為-0.50、不確定度17.2%，誤差略大于本站流量測(cè)驗(yàn)允許誤差。

(3)點(diǎn)繪2016～2017年窯下壩(二)水文站在線式ADCP實(shí)測(cè)與流速儀實(shí)測(cè)流量共42次相關(guān)圖，見圖5。

從圖5可以看出，9次走航式ADCP實(shí)測(cè)流量和流速儀實(shí)測(cè)點(diǎn)在同一系列上，42次比測(cè)成果呈一密集帶狀分布，關(guān)系較為密集。求得相關(guān)流量方程：Q流速儀=1.122×Q在線ADCP。適線、符號(hào)、偏離數(shù)值三檢合格，正點(diǎn)22、負(fù)點(diǎn)20；系統(tǒng)誤差為0.64、不確定度10.2%，符合本站流量測(cè)驗(yàn)精度要求。

當(dāng)斷面流量大于100 m3/s時(shí)，流速儀法施測(cè)和在線式ADCP施測(cè)的流量密集成一帶狀，相關(guān)關(guān)系良好，此時(shí)斷面上沒有回流和層流；但在低水時(shí)(流量小于100 m3/s時(shí))誤差相對(duì)較大，流速儀實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子相差較多，說明河段流量較小時(shí)，受下游閘壩壅水影響嚴(yán)重，河水流向不一，水流紊亂，流速儀法已經(jīng)不適宜用于此時(shí)的流量測(cè)驗(yàn)。

圖5 窯下壩(二)站在線式ADCP與纜道流速儀法流量關(guān)系圖

3 流量整編成果比對(duì)分析

(1)壩上站依據(jù)2016年4月13日～2017年6月4日走航式ADCP實(shí)測(cè)流量成果，采用連實(shí)測(cè)流量過程線法整編流量，比例系數(shù)采用本次分析的1.026；與流速儀法整編流量成果對(duì)照，徑流總量誤差為0.12%，汛期洪水總量誤差為0.53%，次洪水總量平均誤差0.78%，日平均流量平均誤差1.2%。

(2)壩上站2014年11月～2015年6月依據(jù)在線式ADCP實(shí)測(cè)流量成果，采用連實(shí)測(cè)流量過程線法整編流量，比例系數(shù)采用本次分析的0.939；與流速儀法整編流量成果對(duì)照，徑流總量誤差為1.56%，汛期洪水總量誤差為2.23%，次洪水總量平均誤差1.78%，日平均流量平均誤差7.8%。

(3)窯下壩(二)水文站2016年2月2日～2017年7月3日依據(jù)在線式ADCP實(shí)測(cè)流量成果，采用連實(shí)測(cè)流量過程線法整編流量，比例系數(shù)采用本次分析的1.122，2009～2017年年徑流系數(shù)在0.35～0.67，與上下游對(duì)照基本合理，與1957～2008年年徑流系數(shù)0.21～0.73對(duì)照也基本合理。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的纜道流速儀法適宜暢流期河道流量測(cè)驗(yàn)，具有操作簡便、維護(hù)簡單等優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)受下游閘壩影響嚴(yán)重時(shí)，河段水流紊亂，難以保證測(cè)驗(yàn)精度；走航式ADCP使用范圍廣、測(cè)量時(shí)間較短、可施測(cè)紊流流量、精度高，但在流速過小時(shí)測(cè)驗(yàn)精度也難以保證；在線式ADCP測(cè)得的流量成果連續(xù)，斷面基本穩(wěn)定，測(cè)站精度較高，但受水流渾濁度影響大，測(cè)量范圍局限性大，同時(shí)安裝維護(hù)成本最高。

走航式ADCP測(cè)流精度符合壩上站測(cè)量精度要求，且能完全反映垂線流態(tài)，然而在流速過小時(shí)測(cè)驗(yàn)精度還是難以保證。在線式ADCP測(cè)流誤差略大于壩上站測(cè)量精度要求，主要原因?yàn)樵诰€式ADCP只能測(cè)得部分?jǐn)嗝媪髁?，建議：一是可在壩上站斷面左、右兩岸分別安裝一臺(tái)在線ADCP；若要覆蓋全斷面，還可在壩上站上游2.5km處沙石大橋橋墩上再增加一臺(tái)在線ADCP，三臺(tái)ADCP同測(cè)減少誤差。二是在不增加在線ADCP的情況下，用在線ADCP測(cè)得連續(xù)流量，定期用走航式ADCP實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)校正在線式ADCP測(cè)流成果。

窯下壩(二)水文站最大河面寬不超過120m，用在線式ADCP測(cè)流效果較好，能符合該站測(cè)量精度要求。建議窯下壩(二)水文站使用在線式ADCP測(cè)流，同時(shí)用走航式ADCP作為在線ADCP維護(hù)期間或應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)的備用測(cè)驗(yàn)手段。