马晓萍，罗小亮，谢景滨

（1.余杭区水文水资源监测站，浙江 杭州 311115；2. 广州和时通电子科技有限公司，广东 广州 510000）

1 项目区概况

东苕溪由干流南苕溪、支流中苕溪和北苕溪汇集而成。瓶窑水文站作为东苕溪流域的主要控制站，设立于1928年5月，属国家级水文站，瓶窑站以上集雨面积1 420 km2，建站以来实测最高水位7.34 m，最大流量795 m3/s，最大流速2.64 m/s。河床大部分为沙土组成，年内略有冲淤。洪水期间中泓漂浮物较多，给流量测验工作增加困难。平水期主要受上游青山水库发电放水影响，平时1 d至少需要监测2次流量，测流任务较重。

2 H - ADCP流量自动监测系统原理

H - ADCP流量自动监测系统由水平式ADCP传感器、数据处理、采集传输系统和流量在线监测智能管理平台构成。其工作原理是利用数采器控制水平式ADCP传感器进行工作，定时自动采集水位、流速流量等数据信息，然后通过无线网络自动传输到中心监测站，实现流量流速数据的实时和自动监测[1]。系统架构见图1。

H - ADCP 作为前端传感器，是一种既发射声波，又能接收声波的多普勒流速仪。具体声波传播见图2。

图2 声波传播示意图

H - ADCP实测的是水平层测量段内平均流速（指标流速），通过建立断面平均流速与指标流速的关系，通过测得的指标流速得到断面平均流速，再将断面平均流速乘以断面面积，即为断面的瞬时流量[2]。

指标流速法技术为众多水科学管理机构所采用，用于连续计算复杂水流条件下的河流流量，而传统的水位—流量关系法在这些复杂的水流条件下已不适用。美国地质调查局（USGS），ISO和WMO都认可，在出现当出现复杂水流条件时，如出现变动回水、潮汐流、双向水流、逆流、小比降、水流变化加快或动能变化大等情况时，可将指标流速法作为一种测验标准。

最常见的指标流速法方程多为一个简单的、单变量线性方程，表达式为：

式中：V平均为平均流速（在指定河流断面），m/s；V测量为传感器给出的观测流速，m/s（也被称为“指标流速” ）；a为斜率系数（无量纲）；b为截距系数。

河道断面的总流量是断面总面积（AT）与平均流速（V平均）的乘积，即：

式中断面总面积（AT）可以通过建立水位与实测已知断面面积之间的相关关系来确定。由此就可以得到河道断面的总流量。

3 断面安装选择

按照声学多普勒流量测验规范要求，测流断面应选取顺直，无岔流，紊流，河床稳定，水流集中，相对稳定，远离水工建筑，距离水工建筑的距离至少为洪水期间河宽的 3 ～ 5 倍[3]。

经过谨慎严格的选址和专家多方论证，最终确定安装位置在原站房下游150 m的瓶窑大桥断面处。采用导轨式支架固定在桥墩上，支架长度3 m，ADCP安装于右边桥墩上，起点距40 m，高程1.16 m，约26 m采样范围，能很好覆盖主流部分[4-5]。安装示意见图3。

图3 瓶窑站H-ADCP安装位置示意图

4 H - ADCP系统定线及结果验证

4.1 系统定线

通过收集汛期（2018年6月27日—2018年10月1日）的实测流量数据和指标流速数据，建立指标流速和断面平均流速关系(见图4)。

图4 指标流速和断面平均流速关系图

4.2 测量验证

本次验证资料为2018年9月27日至10月23日逐日的人工实测资料。在线ADCP流量对比验证期间，实测流量变幅在 19.1 ～ 458.0 m3/s。

在线ADCP与流速仪缆道实测流量计算出的断面流量Q实测进行比测，为确保资料一致性和精度，实测流量选用测流平均时间作为和流量监测系统监测的同步时间，如系统采集数据时间与实测流量平均时间出现偏差，则尽可能选择其接近时间。

实测流量选用测流时间段内平均时间点作为和在线ADCP流量监测系统监测的同步时间，共选取25组流量数据资料；对在线ADCP测量与实际测量流量进行数据对比以及误差分析。H - ADCP测量流量和实测流量数据对比见表1。

表1 H - ADCP测量流量和实测流量数据对比表

续表1

从表1可知，H - ADCP系统测量偏差保持在±8%以内，测量精度满足使用要求。

5 系统运行情况

系统从测量数据测得到终端仅需要数秒钟便可完成，具有简单、快捷、全天候、日常运行成本低，维护少，快捷、实时、准确的优点。

系统从硬件2016年9月26日安装到2016年11月9日，理论数据总数4 258，实际接收数据总数4 258，数据接收完整率为达到100%，系统运行稳定可靠。

缆道流速仪实测流量与在线ADCP测量流量对比结果显示，关系测点标准差Se = 4.90%，随机误差为9.80%≤10.00 %，系统误差为0.57%≤ ±1.00 %，均达到SL 247 —2012《水文资料整编规范》规定的二类水文测验站精度要求[6-9]，可应用于日常的水利防汛和水量分析计算。

6 结 语

本文针对目前水文站长期存在的日常测流工作量大，人力不足，流量资料缺少等问题，选择东苕溪流域的瓶窑站作为实验站，对自动测流技术的应用进行探索，经过1 a多的努力，实现H - ADCP技术在复杂河段的成功应用，在本研究中主要取得以下研究成果：

（1）针对基层水文站的人力现状，利用技术换人思路，充分运用自动测流技术，有效突破基层人力瓶颈，为在重要河段的测流提供解决方案。

（2）通过硬件的选型和软件的算法优化，建立对外界抗干扰能力强、对不同水流具有较好的适应性的系统。

（3）利用系统的水位、流速、流量等数据进行水文资料整编，可减少资料二次录入带来的错误，提高资料整编质量和工作效率。

（4）H - ADCP流量自动监测系统，经分析及验证，满足瓶窑水文站流量自动测验要求，提高本站自动化监测水平，可用于水文站的日常流量监测。