達(dá) 偉

(新疆巴音郭楞水文勘測(cè)局，新疆 庫爾勒 841000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)河流的利用日趨多樣，水利工程越建越多，過去水文站測(cè)驗(yàn)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(cè)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(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)報(bào)是實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化以和水文測(cè)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(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，為防洪減災(zāi)提供強(qiáng)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(yàn)區(qū)域，引進(jìn)巡航式ADCP測(cè)流系統(tǒng)在大山口和他什店水文站進(jìn)行斷面流量測(cè)驗(yàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)其自動(dòng)測(cè)量的水文數(shù)據(jù)與常規(guī)流速儀測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合判斷該型儀器設(shè)備在巴州境內(nèi)河流的實(shí)用性，從而為巴州境內(nèi)其他河流引進(jìn)自動(dòng)測(cè)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(yàn)區(qū)概況

1.1 水文站測(cè)量斷面概況

開都河被譽(yù)為巴州人民的母親河，是巴州產(chǎn)水量最大、屬雨雪混合補(bǔ)給的河流，其補(bǔ)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(cè)站以上集水面積18 827 km2，多年平均徑流量35.30億 m3。流量測(cè)驗(yàn)斷面位于大山口一級(jí)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(yáng)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(cè)驗(yàn)斷面位于博斯騰湖揚(yáng)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(dòng)纜道，測(cè)驗(yàn)方式為流速儀一點(diǎn)法(0.6)；測(cè)深、測(cè)速垂線相對(duì)固定，測(cè)深垂線布設(shè)為15～17條，測(cè)速垂線布設(shè)為15～17條，流量大時(shí)在主流區(qū)適當(dāng)增設(shè)測(cè)深、測(cè)速垂線；完成一次流量測(cè)驗(yàn)需要投入2名技術(shù)人員，耗時(shí)2 h左右，若河道水量大采用流速儀精測(cè)法(多點(diǎn)法)測(cè)流則需耗時(shí)5 h左右。

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

2 試驗(yàn)區(qū)水文測(cè)報(bào)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析

大山口一級(jí)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(gè)凈寬10 m的溢流表孔，河床右側(cè)10號(hào)壩段布置沖砂兼泄洪底孔。大山口水文站流量測(cè)驗(yàn)斷面位于大山口一級(jí)電站下游200 m處，受樞紐閘室起落影響，水位陡漲陡落，時(shí)間非常短，流速儀法測(cè)流時(shí)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(diǎn)對(duì)應(yīng)流量缺測(cè)的情況。而他什店水文站流量測(cè)驗(yàn)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(jì)算不得不采用“連實(shí)測(cè)法”進(jìn)行推流，為滿足“連實(shí)測(cè)法”推流精度要求，年需實(shí)測(cè)流量測(cè)次120次以上，勞動(dòng)強(qiáng)度極大。另外，從多年實(shí)測(cè)水文資料來看，他什店水文站測(cè)驗(yàn)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(diǎn)比較明顯，當(dāng)斷面流量小于30 m3/s時(shí)，流速儀法測(cè)流精度逐漸下降，當(dāng)斷面流量小于10 m3/s時(shí)，流速儀無信號(hào)，無法測(cè)得斷面流量。

為降低勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短測(cè)驗(yàn)時(shí)間、提升測(cè)驗(yàn)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(shí)狀況下流量測(cè)驗(yàn)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(cè)試驗(yàn)方法

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB50179-2015)以及《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)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(cè)，比測(cè)試驗(yàn)測(cè)次分布要覆蓋高、中、低不同水位(或流量)級(jí)，有效測(cè)次不少于30次且應(yīng)選擇在水流相對(duì)平穩(wěn)時(shí)開展比測(cè)工作。

3.1 比測(cè)設(shè)備參數(shù)

走航式ADCP測(cè)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(hào)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(zhǎng)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(hào)均為L(zhǎng)S25-1旋漿式流速儀，大山口水文站流速儀編號(hào)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(hào)為300224，流速儀公式為V=0.251 1n+0.010 3，其主要參數(shù)為測(cè)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?jī)纱涡盘?hào)間槳葉的轉(zhuǎn)數(shù)為20轉(zhuǎn)。

表1 大山口水文站流量對(duì)比實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3.2 比測(cè)內(nèi)容

采用流速儀法和走航式ADCP同步進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，對(duì)兩者測(cè)得流量進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)ADCP流量測(cè)驗(yàn)精度，并確定走航式ADCP在測(cè)驗(yàn)時(shí)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(cè)2個(gè)測(cè)回?cái)嗝媪髁?在流速儀法測(cè)流前、后各往返1個(gè)來回)，每半個(gè)測(cè)回用時(shí)大于180 s，且測(cè)得的流量值不超過2個(gè)測(cè)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(cè)定的流量。轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)流采用常測(cè)法一點(diǎn)法(0.6相對(duì)水深)測(cè)速，測(cè)速垂線相對(duì)固定，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)速計(jì)時(shí)不少于100 s，每條測(cè)深垂線均測(cè)深兩次取均值，每次測(cè)流結(jié)束現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)計(jì)算。

表2 他什店水文站流量對(duì)比實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

大山口水文站2018年至2020年6月共收集到流量對(duì)比實(shí)驗(yàn)33次，測(cè)次覆蓋高、中、低水，測(cè)到最大流量461 m3/s，測(cè)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(duì)比實(shí)驗(yàn)39次，測(cè)次覆蓋高、中、低水，測(cè)到最大流量95.2 m3/s，測(cè)到最小流量12.6 m3/s，資料成果詳見表2。

3.4 巡航式ADCP測(cè)驗(yàn)注意要點(diǎn)

在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)過程中，為保證測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)質(zhì)量。

(1)在測(cè)驗(yàn)時(shí)盡量保持運(yùn)行軌跡在河道測(cè)驗(yàn)斷面線同一方向直線行駛，避免設(shè)備運(yùn)行軌跡來回或者上下移動(dòng)，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(yùn)行速度時(shí)快時(shí)慢，以免ADCP吃水深度不夠?qū)е聹y(cè)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(dòng)，導(dǎo)致面積、水面寬、水深等水文參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確，從而影響整個(gè)測(cè)次的成果精度。

(4)要隨時(shí)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(shí)，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(shí)，斷面上流速矢量線會(huì)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(cè)量，切忌片面追求低速運(yùn)行從而喪失該設(shè)備快速測(cè)量的功效。

4 比測(cè)成果評(píng)價(jià)分析

4.1 大山口水文站比測(cè)成果分析

(1)大山口站33次測(cè)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(jì)分析，ADCP與流速儀測(cè)得流量相對(duì)誤差均在±5%以內(nèi)，最大相對(duì)誤差為4.8%，最小相對(duì)誤差為0%，歷次流量相對(duì)誤差均值為0.8%，流量測(cè)驗(yàn)精度高；歷次測(cè)流面積相對(duì)誤差均值為-3.3%，歷次測(cè)流流速相對(duì)誤差均值為4.7%，說明流量測(cè)驗(yàn)相關(guān)重要參數(shù)測(cè)驗(yàn)精度高。

(2)點(diǎn)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(cè)成果分析

(1)他什店站39次測(cè)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(jì)分析，ADCP與流速儀測(cè)得流量相對(duì)誤差均在±5%以內(nèi)，最大相對(duì)誤差為4.8%，最小相對(duì)誤差為0.4%，歷次流量相對(duì)誤差均值為-0.5%，流量測(cè)驗(yàn)精度高；歷次測(cè)流面積相對(duì)誤差均值為1.0%，歷次測(cè)流流速相對(duì)誤差均值為-0.5%，說明流量測(cè)驗(yàn)相關(guān)重要參數(shù)測(cè)驗(yàn)精度高。

(2)點(diǎn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)成果與流速儀測(cè)驗(yàn)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(cè)流手段。

(2)通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)分析看，巡航式ADCP測(cè)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(cè)驗(yàn)精度低的問題，同時(shí)，也極大提升了測(cè)流效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

5.2 建議

(1)ADCP作為先進(jìn)的測(cè)驗(yàn)設(shè)備，在海洋勘測(cè)、水庫測(cè)量、大江大河測(cè)驗(yàn)等工作中，已充分展示出了測(cè)驗(yàn)精準(zhǔn)、方便快捷的特點(diǎn)，其普及應(yīng)用具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)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(cè)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(shí)測(cè)含沙量資料，但考慮到其水量來源于博斯騰湖揚(yáng)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(duì)比分析該型儀器設(shè)備對(duì)含少量的使用限制條件。