熊文華，李 誠

（云南省水文水資源局臨滄分局，云南 臨滄 677000）

1 比測站概況

戛舊（二）站位于云南省云縣漫灣鎮(zhèn)，是瀾滄江上的干流控制站，地理位置為東經(jīng) 100°28′，北緯24°36′，收集瀾滄江干流基本水文信息，為漫灣電站、大朝山電站調(diào)度調(diào)蓄及下游防汛和瀾滄江的水資源開發(fā)利用、水資源保護服務(wù)的國家重要水文站。戛舊水文站于 1957 年 1 月由云南省水文總站設(shè)立，2001 年 1 月由于大朝山電站調(diào)節(jié)水庫回水影響上遷 8 km，稱戛舊（二）站。戛舊（二）站控制流域面積為 108 475 km2，測驗斷面上游 3.5 km 為漫灣電站，下游 100 km 為大朝山電站。測驗河段為巖質(zhì)河床，順直長約 100 m，測驗斷面呈“V”形，兩岸邊較陡，中低水河面寬在 60～70 m，高水可達 80 m以上。受上游漫灣電站的開關(guān)放水調(diào)節(jié)，水流紊亂，受下游大朝山電站回水頂托影響，傳統(tǒng)的水文測驗已不能滿足整編規(guī)范要求，全年采用改正系數(shù)法推流，受人類活動影響嚴重。

2 比測方法

用 S5 型水平式 ADCP（以下簡稱 S5）與纜道流速儀法流速進行比測，用 S5 與 M9 型走航式ADCP（以下簡稱 M9） 流量流速進行比測，用 S5與漫灣電廠出庫流速進行比測，分析泥沙、水溫對S5 所測流速的影響。

S5，測量距離為 1.5～120.0 m；流速測量范圍為 ± 6 m/s，分辨率為 0.001 m/s，準確度為 ± 1%；垂直波束測量水位為 18.0 m，準確度為 ± 0.6 cm（深度＜6 m），±0.1 cm（深度≥6 m）；流量為程序自動計算完成。

M9，距離測量范圍為 0.06～40.00 m；流速測量范圍為 ± 20 m/s，分辨率為 0.001 m/s，準確度為實測流速 ±0.25%；水深范圍為 0.2～80.0 m，分辨率為 0.001 m，準確度為 ± 1%；流量為內(nèi)部自動計算完成。

S5 實測的是水平層測量段內(nèi)平均流速（指標流速），通過建立斷面平均流速與指標流速的關(guān)系，然后利用測得的指標流速換算為斷面平均流速，再將斷面平均流速乘以斷面面積，即為斷面的瞬時流量。為找到水平流速（指標流速）～斷面平均流速的關(guān)系，需要采用比測和率定的方法完成[1]。

3 比測分析

編制《云南省水文水資源局臨滄分局戛舊（二）站“948”項目 ADCP 測流儀器比測工作實施方案》，在戛舊（二）站開展 S5 的比測工作。

3.1 流量比測方式

流量比測根據(jù)實際情況調(diào)整 S5 位置高度進行比測，儀器安置高度（程）為 896.90 m，比測流量49 次；儀器安置高度（程）為 895.59 m，比測流量37 次；儀器安置高度（程）為 893.20 m，比測流量36 次。

流量比測時，每次先用纜道流速儀法測出斷面流量，再用 M9 測出該斷面流量，然后根據(jù)測流平均時間查出電廠出庫流量（用閘門開度查出泄流量加超聲波測出發(fā)電流量，由電廠提供）及 S5 同步流量數(shù)據(jù)，再對比分析 4 組流量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，最終計算出 S5 實時在線流量與斷面實際流量的相關(guān)系數(shù)[2]。最后對比與高程的相關(guān)系數(shù)，綜合分析確定斷面流量的率定系數(shù)。

3.2 抗雷擊能力分析

該儀器沒有防雷能力，需要靠人工進行干預(yù)，因儀器收集資料需一直通電運行，在夜間人為無法預(yù)見是否打雷，儀器就無法得到有效保護。

3.3 水位比測分析

由于受電站調(diào)節(jié)影響劇烈，且數(shù)據(jù)量較大，選擇每日 8 時的自記水位值為基準，進行 S5 的水位比測分析，如圖 1 所示。經(jīng)分析，誤差 ≤ 0.02 m 的占24.6%，誤差 ≤ 0.05 m 的占 41.9%，誤差 ≤ 0.10 m的占 74.3%，誤差 ≤ 0.20 m 的占 91.0%，最大誤差0.93 m，引起這一誤差變化是 S5 主要靠壓力探頭的感應(yīng)測量水位，由于電站調(diào)節(jié)影響劇烈，水位漲落較大，導(dǎo)致某一瞬時水位與自記水位記錄誤差較大，作為突出點被剔除[3]。

圖 1 自記水位值與 S5 水位比測差值圖

3.4 S5 與流速儀法比較分析

與纜道流速儀共比測 122 次，用流速儀法測流時的斷面平均流速 v斷面與 S5 的平均指標流速 v指標建立關(guān)系，根據(jù)儀器安裝高程分 3 個不同高度，分析點繪兩者關(guān)系，如圖 2～4 所示。通過分析， 不同高程 S5 的 v指標與流速儀法 v斷面之間的線性關(guān)系非常顯著，相關(guān)系數(shù)分別達到了 0.92～0.97[4]。不同高度相關(guān)點據(jù)相對誤差 ≤ 5%，7%，10% 的合格率分別為 61.1%，80.6%，91.7%。

圖 2 儀器安裝高程 896.9 m 流速儀（v斷面）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

圖 3 儀器安裝高程 895.59 m 流速儀（v斷面）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

圖 4 儀器安裝高程 893.2 m 流速儀（v斷面）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

3.5 S5 與 M9 比較分析

與 M9 比測 104 次。用 M9 進行測驗，施測 2 個測回共 4 次流量，取其 v斷面與 S5 的 v指標建立關(guān)系。建立 S5 的指標流速與 M9 斷面平均流速之間的線性關(guān)系顯著，相關(guān)系數(shù)達到 0.95～0.96，繪兩者關(guān)系，如圖 5～7 所示。經(jīng)分析，不同高度相對誤差的合格率為 58%，72.0%，88.0%。

圖 5 儀器安裝高程 896.9 m M9（vM9）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

圖 6 儀器安裝高程 895.59 m M9（vM9）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

圖 7 儀器安裝高程 893.2 m M9（vM9）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

3.6 S5 與電廠出庫流量分析比較

根據(jù)電廠提供出庫流量，除比測位置相應(yīng)大斷面面積，得電廠 v出。挑選水位較平緩時間段的比測點，建立兩者關(guān)系，如圖 8～10 所示。S5 的 v指標與電廠 v出之間的線性關(guān)系也顯著，相關(guān)系數(shù)達到0.92～0.98；不同高程相對誤差的合格率為 45.5%，81.8%，87.9%。

圖 8 儀器安裝高程 896.9 m 電廠（v出）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

圖 9 儀器安裝高程 895.59 m 電廠（v出）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

圖 10 儀器安裝高程 893.2 m 電廠（v出）與 S5（v指標）流速關(guān)系圖

3.7 比測小結(jié)

通過分別建立 S5 與流速儀、M9、電廠出庫流速的關(guān)系分析，三者線性關(guān)系均很顯著，相關(guān)系數(shù)較大，但通過點據(jù)的離散程度分析，S5 與流速儀法建立的關(guān)系略優(yōu)于與 M9 建立的關(guān)系，而與 M9 建立的關(guān)系略優(yōu)于與電廠出庫流速建立的關(guān)系。

經(jīng)計算分析，系統(tǒng)誤差不超過 1.0%，符合規(guī)范要求。S5 與纜道流速儀法測量測量誤差平均在 2.5%左右，相關(guān)較為顯著，相關(guān)系數(shù)高達 0.97，說明兩者測量結(jié)果基本一致，從而說明在受水庫沖放水、水位受頂托影響情況下，用 S5 測流，能基本滿足規(guī)范要求。

4 誤差分析

4.1 三項檢驗

將不同高程所比測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、誤差計算，其結(jié)果為三項檢驗都通過，系統(tǒng)誤差都在 1%以內(nèi)，符合一類精度站要求；而標準差：流速儀法關(guān)系為 6.9%，M9 法關(guān)系為 7.3%，電廠出流關(guān)系為12.6%，超出一類精度站范圍要求，引起這一誤差偏大的主要原因是上游受漫灣水庫調(diào)蓄影響，在比測期間水位變幅較大而造成。

4.2 時段水量誤差分析

以流速儀法為基準，對 S5、電廠出庫流量所推時水量進行誤差分析。S5 推求的時段水量相對誤差在 -11.7%～5.5%，時段總平均誤差僅為 0.8%；電廠出庫流量為推算流量，相對誤差在 5.5%～16.1%，時段總平均誤差達 9.4%，偏大較多。

4.3 含沙量對 S5 的影響分析

由于 S5 是靠水體中的懸浮顆粒吸收并反射聲波，所以水體中的泥沙含量多少直接影響 S5 的接收信號。通過流速儀、M9、電廠出庫流速與 S5 比測，同時施測斷沙及在相應(yīng)單沙取樣位置施測單沙，整編得到各時間段斷面含沙量，在不同含沙量下對流量測驗造成的影響進行分析。從指標流速中無法得出泥沙含量大小對流速測驗產(chǎn)生顯著影響。從 S5 所接收到超聲波的回波信號強度，即水平、垂直方向的回波信號強度進行分析。每一行的回波信號強度都大于噪聲電平，說明所比測數(shù)據(jù)在儀器測量范圍內(nèi)，同時說明含沙量變化在 0～0.048 kg/m3之間時，未對 S5 流量測驗造成影響。

4.4 水溫對 S5 影響

在比測流量時，同時對水溫進行觀測，以分析不同水溫對 S5 的影響，比測時最高水溫為 21.4℃，最低水溫為 17.2℃，以 19.0℃ 為分界，分別分析在不同溫度范圍內(nèi)水溫對 S5 的影響情況。通過分析，水溫在 17.2～21.4℃ 之間時，S5 信號接收正常；水溫在＜ 19.0℃ 時，v指標與 v斷面的相關(guān)系數(shù)為0.97；水溫在＞ 19.0℃ 時，v指標與 v斷面的相關(guān)系數(shù)為 0.86，說明水溫低時 v指標與 v斷面的關(guān)系要比水溫高時好些。

5 比測成果

通過對比分析，纜道流速儀法結(jié)果與 S5 相比，三項檢驗及系統(tǒng)誤差都符合一類精度站要求，且點離散程度較小，雖標準差超限，但考慮戛舊（二）站受上游漫灣電站調(diào)節(jié)影響，受下游大朝山水庫頂托影響劇烈，導(dǎo)致比測過程中產(chǎn)生較大隨機誤差，因此標準差超限符合測站實際。通過分析，選擇纜道流速儀法作為斷面平均流速（y），與 S5 指標流速（x）建立的相關(guān)方程為比測分析成果，y = 0.794 4 x +0.065 5。

6 結(jié)語

S5 是一種先進的技術(shù)含量較高的測流儀器，它具有安裝簡便、日常運行成本低、維護少、快捷、實時、準確的優(yōu)點，并對外界抗干擾能力強，對不同水流具有較好的適應(yīng)性。S5 在一定條件下，作為流量測驗的手段是可行的，能夠大大提高工作效率和成果質(zhì)量，特別是受工程影響導(dǎo)致水位流量關(guān)系紊亂的測站，S5 測流是一種較好的解決方案。該儀器所收集的資料通過計算軟件處理后，可對水位、流量進行在線整編，計算結(jié)果與南方片整編結(jié)果相符，滿足整編規(guī)范要求。戛舊（二）站的測流工作受水利工程影響嚴重，認真做好 S5 流量的比測，是將來該儀器推廣使用的首要前提。該儀器在使用過程中的問題和建議如下：

1）當水位低于儀器安裝高程時，無法監(jiān)測到水位和流速。

2）S5 遇高水時無法調(diào)試安裝。如果安裝鋼架能進行自由升降，這樣在高水也可以進行安裝調(diào)試，包括對儀器進行保養(yǎng)維護、更換等也更加方便。S5 安裝的姿態(tài)非常重要，若能在 S5 安裝機座上設(shè)立一個遙控開關(guān)，在岸上用遙控就能進行調(diào)整，這樣就容易將儀器姿態(tài)調(diào)整到佳位置。

3）防雷方面應(yīng)該加強，最好采用先進的自動控制系統(tǒng)，在遇打雷時儀器能自動關(guān)閉，對儀器進行保護，最好是增加防雷設(shè)計。

4）該儀器只有 1 個探頭，當儀器出現(xiàn)故障時，期間資料將缺測，只能通過其他方法彌補，應(yīng)增加備用探頭。

5）在查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)時，要打開多個軟件，并且每個軟件的安裝和查詢界面都是英文，不便于操作使用，如果將各個軟件組合成一個程序，并可選擇中文，將便于人員的操作使用。

6）水位出現(xiàn)問題而指標流速正確時，應(yīng)能用自記水位來代替，希望程序能對水位、面積進行修改。