巡航式ADCP系统在巴州河流水文测报中的应用研究

达 伟

(新疆巴音郭楞水文勘测局，新疆 库尔勒 841000)

随着社会的发展，人类对河流的利用日趋多样，水利工程越建越多，过去水文站测验断面上下游无水利工程，基本处于零干扰的纯天然条件已一去不返，相反，目前大多数水文测站水文数据收集均不同程度受到水利工程建设的影响，且影响因素越来越复杂多样，尽快实现水文数据实时自动测报是实现水文现代化以和水文测站“无人值守、有人看管”发展理念的关键环节，可以极大提高测验数据的准确性和时效性，为防洪减灾提供强大技术保障。以新疆开都河上的大山口水文站和孔雀河上的他什店水文站为试验区域，引进巡航式ADCP测流系统在大山口和他什店水文站进行断面流量测验对比实验，对其自动测量的水文数据与常规流速仪测验数据进行对比分析，综合判断该型仪器设备在巴州境内河流的实用性，从而为巴州境内其他河流引进自动测流设备以及巡航式ADCP的推广应用提供科学依据。

1 试验区概况

1.1 水文站测量断面概况

开都河被誉为巴州人民的母亲河，是巴州产水量最大、属雨雪混合补给的河流，其补给来源与巴州境内车尔臣河、若羌河、瓦石峡河、黄水沟、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静县南哈尔莫墩镇境内，是开都河的重要水量控制站，测站以上集水面积18 827 km2，多年平均径流量35.30亿 m3。流量测验断面位于大山口一级水电站下游，河道为“U”型河床，宽约90 m，左岸为铅丝笼护岸，右岸为混凝土挡水斜墙，河床主要由卵石和砂砾石组成，植被稀少，河道顺直，水流集中，纵坡不大，控制条件良好。

孔雀河是一条依靠人工调节的非天然河道，其水量主要来源于开都河末端的博斯腾湖，依靠博斯腾湖扬水站将开都河水量通过孔雀河输送到库尔勒市南部的普惠水库或塔里木河，供下游农业生产和生态绿化使用。而他什店水文站位于巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市塔什店镇境内，是孔雀河唯一水量控制站，多年平均径流量13.53亿 m3。流量测验断面位于博斯腾湖扬水站下游45.21 km处，河道为“U”型河床，宽约35 m，左右岸均为黏土，河床主要由沙土组成，植被较多，河道顺直，控制条件较好。

1.2 水文站流量方式

大山口水文站：过河方式为双索吊箱和电动缆道，测验方式为流速仪一点法(0.6)；测深、测速垂线相对固定，测深垂线布设为15～17条，测速垂线布设为15～17条，流量大时在主流区适当增设测深、测速垂线；完成一次流量测验需要投入2名技术人员，耗时2 h左右，若河道水量大采用流速仪精测法(多点法)测流则需耗时5 h左右。

他什店水文站：过河方式为电动双索吊箱和手动双索吊箱，测验方式为流速仪一点法(0.6)；测深、测速垂线固定，测深垂线布设为15条，测速垂线布设为7条，流量大时在主流区适当增设测速垂线；完成一次流量测验需要投入2名技术人员，耗时1.5 h左右，若河道水量大采用精测法(多点法)测流则需耗时3 h左右。

2 试验区水文测报现状及难点分析

大山口一级电站是一座以发电为主的枢纽工程，水库总库容0.298亿 m3，坝体中部设7个净宽10 m的溢流表孔，河床右侧10号坝段布置冲砂兼泄洪底孔。大山口水文站流量测验断面位于大山口一级电站下游200 m处，受枢纽闸室起落影响，水位陡涨陡落，时间非常短，流速仪法测流时间明显不够，尤其是5-8月主汛期闸门起落频繁，给流量资料收集带来了较大困难，甚至会导致部分重要水位节点对应流量缺测的情况。而他什店水文站流量测验断面受下游9.5 km处铁门关水库回水顶托的影响，水位流量关系紊乱，年径流量计算不得不采用“连实测法”进行推流，为满足“连实测法”推流精度要求，年需实测流量测次120次以上，劳动强度极大。另外，从多年实测水文资料来看，他什店水文站测验断面附近河道平均水深约为4～8 m，平均流速约为0.08～0.70 m/s，水深大而流速小的特点比较明显，当断面流量小于30 m3/s时，流速仪法测流精度逐渐下降，当断面流量小于10 m3/s时，流速仪无信号，无法测得断面流量。

为降低劳动强度、缩短测验时间、提升测验精度，引进巡航式ADCP应用于大山口、他什店水文站，既是现实状况下流量测验工作需要，也是水文现代化发展进程的客观需求。

3 比测试验方法

根据《河流流量测验规范》(GB50179-2015)以及《声学多普勒流量测验规范》(SL337-2006)相关规定，ADCP投入使用前，应与转子式流速仪进行比测，比测试验测次分布要覆盖高、中、低不同水位(或流量)级，有效测次不少于30次且应选择在水流相对平稳时开展比测工作。

3.1 比测设备参数

走航式ADCP测流系统主要由RiverRay ADCP、三体船、通讯装置、12V蓄电池、GPS罗经，数据采集处理软件和笔记本电脑组成，大山口站、他什店站ADCP序列号分别为672650和656723，其主要使用参数为系统频率600kHz、四波束(30°波束角)、分辨率1 mm/s、深度单元长度最小10 cm、流速范围±5 m/s(缺省)和±20 m/s(最大)。

转子流速仪型号均为LS25-1旋浆式流速仪，大山口水文站流速仪编号为820808，流速仪公式为V=0.252 5n+0.009 5。他什店水文站流速仪编号为300224，流速仪公式为V=0.251 1n+0.010 3，其主要参数为测速范围0.06～7.0 m/s、工作水深一般不大于24 m、工作水温0℃～40 ℃、工作水质为淡水(含有不过分的矿物质)或含有泥沙的浑水、仪器起转速度≤0.05 m/s、检定公式的均方差≤1.5%、桨叶螺距250 mm、每两次信号间桨叶的转数为20转。

表1 大山口水文站流量对比实验成果统计表

3.2 比测内容

采用流速仪法和走航式ADCP同步进行流量测验，对两者测得流量进行比较分析，评价ADCP流量测验精度，并确定走航式ADCP在测验时有关参数的技术要求，比如：岸边流量系数、幂指数、探能器入水深度等。

3.3 资料收集方法

走航式ADCP安装于三体船内并用铅鱼或者手摇循环式装置牵引，采用横渡法施测2个测回断面流量(在流速仪法测流前、后各往返1个来回)，每半个测回用时大于180 s，且测得的流量值不超过2个测回算术平均值的±5%，若前后4次流量值的变幅不大于平均值的10%，则取该平均值作为ADCP测定的流量。转子式流速仪测流采用常测法一点法(0.6相对水深)测速，测速垂线相对固定，每个测点测速计时不少于100 s，每条测深垂线均测深两次取均值，每次测流结束现场及时计算。

表2 他什店水文站流量对比实验成果统计表

大山口水文站2018年至2020年6月共收集到流量对比实验33次，测次覆盖高、中、低水，测到最大流量461 m3/s，测到最小流量32.8 m3/s，见表1；他什店水文站2017年至2020年6月共收集到流量对比实验39次，测次覆盖高、中、低水，测到最大流量95.2 m3/s，测到最小流量12.6 m3/s，资料成果详见表2。

3.4 巡航式ADCP测验注意要点

在进行对比实验过程中，为保证测验数据的准确性，应特别注重巡航式ADCP的使用要领，掌握操作技巧，保证测验质量。

(1)在测验时尽量保持运行轨迹在河道测验断面线同一方向直线行驶，避免设备运行轨迹来回或者上下移动，尤其是在靠近岸边低流速的情况下，更要保证同一方向直线行驶。

(2)尽量避免三体船运行速度时快时慢，以免ADCP吃水深度不够导致测得数据出现空白或者数据坏死现象。

(3)设备起始和终了位置要放在有流速的位置，避免左右岸浅滩位置流速小出现设备向上游跑动，导致面积、水面宽、水深等水文参数测量不准确，从而影响整个测次的成果精度。

(4)要随时注意流速矢量线与罗经变化过程是否匹配，当罗经变化正常时，断面上流速矢量线基本平行，航迹变化平缓，反之，当罗经出现异常时，断面上流速矢量线会出现不规则变化。

(5)只要船速不大于流速，就可以匀速快速测量，切忌片面追求低速运行从而丧失该设备快速测量的功效。

4 比测成果评价分析

4.1 大山口水文站比测成果分析

(1)大山口站33次测次分布涵盖了高、中、低水的完整过程，资料系列代表性好；从表1成果统计分析，ADCP与流速仪测得流量相对误差均在±5%以内，最大相对误差为4.8%，最小相对误差为0%，历次流量相对误差均值为0.8%，流量测验精度高；历次测流面积相对误差均值为-3.3%，历次测流流速相对误差均值为4.7%，说明流量测验相关重要参数测验精度高。

(2)点绘流速仪与ADCP流量相关关系图(图1)，可以看出两者相关关系很好，流速仪与ADCP流量率定直线相关方程为：Q(转子流速仪)=0.994 1Q(ADCP)-0.480 6，相关系数R2达到0.999 4，相关性很高。

图1 大山口水文站ADCP与流速仪流量相关关系图

4.2 他什店水文站比测成果分析

(1)他什店站39次测次分布涵盖了高、中、低水的完整过程，资料系列代表性好；从表2成果统计分析，ADCP与流速仪测得流量相对误差均在±5%以内，最大相对误差为4.8%，最小相对误差为0.4%，历次流量相对误差均值为-0.5%，流量测验精度高；历次测流面积相对误差均值为1.0%，历次测流流速相对误差均值为-0.5%，说明流量测验相关重要参数测验精度高。

(2)点绘流速仪与ADCP流量相关关系图(图2)，可以看出两者相关关系很好，流速仪与ADCP流量率定直线相关方程为：Q(转子流速仪)=1.009 9Q(ADCP)-0.207 1，相关系数R2达到0.997 4，相关性很高。

图2 他什店水文站ADCP与流速仪流量相关关系图

5 结论及建议

5.1 结论

(1)通过对比实验分析，巡航式ADCP应用于开都河大山口、孔雀河他什店水文站，测验成果与流速仪测验成果高度一致，精度可靠，完全可以作为水文资料采集的常规测流手段。

(2)通过对比实验分析，确定大山口水文站ADCP相关参数取值为：入水深度0.10 m；岸边数据组10；岸边系数0.35；底部流量估算方法幂函数0.166 7；顶部流量估算方法幂函数0.166 7。

(3)通过对比实验分析，确定他什店水文站ADCP相关参数取值为：入水深度0.08 m；岸边数据组10；岸边系数0.70，底部流量估算方法幂函数0.166 7；顶部流量估算方法幂函数0.166 7。

(4)从对比实验分析看，巡航式ADCP测流系统能有效解决水库坝下流量变化大、过程控制难以及水库坝上流量受回水顶托关系紊乱、低速测验精度低的问题，同时，也极大提升了测流效率，降低了劳动强度。

5.2 建议

(1)ADCP作为先进的测验设备，在海洋勘测、水库测量、大江大河测验等工作中，已充分展示出了测验精准、方便快捷的特点，其普及应用具有重要的社会经济效益和现实意义，建议相关水文部门、水管部门在境内河流水量监测中大力推广使用。

(2)大山口水文站受上游水库工程影响含少量很低，2018年、2019年年平均含沙量分别为0.007 kg/m3、0.013 kg/m3，最大含沙量也不足0.10 kg/m3；他什店水文站没有实测含沙量资料，但考虑到其水量来源于博斯腾湖扬水站，所以其含沙量也很低。因此，建议相关部门继续在含少量较大的塔里木河、车尔臣河引进巡航式ADCP，对比分析该型仪器设备对含少量的使用限制条件。