靳 君

（铜川水文水资源勘测中心,陕西 铜川 727100）

1 概况

1.1 测站基本情况

秦渡镇（五）水文站为渭河南岸中等面积区域代表站,设立于1934年5月,属国家基本水文站。位于陕西省高新区秦渡镇,主要为收集沣河流域基本水文资料,研究分析本流域产汇流规律,为开发利用沣河水资源、河道治理、防汛减灾提供水文情信息和服务。2011年1月,该站安装了HADCP流量自动监测系统。

1.2 流域概况

沣河为渭河南岸较大支流,发源于西安市长安区喂子坪乡鸡窝子以上的秦岭梁北侧,于咸阳市沣东乡邵家村流入渭河。河流全长81.9 km,流域面积1459.5 km2,秦渡镇站断面以上集水面积566 km2,距河口里程36 km。沣河主要支流有潏河、高冠峪河、太平峪河。调查最大洪峰流量1430 m3/s,发生时间为1957 年7 月16 日,实测最大流量808 m3/s,发生时间为2002年6月9日,实测最小流量0.00 m3/s,实测最大含沙量66.2 kg/m3。

1.3 测验断面情况

秦渡镇（五）水文站测验河段顺直,两岸均为人工河提,细沙河床,水流平缓,断面冲淤变化小,河床比较稳定。基本水尺断面兼浮标中断面及流速仪测流断面,上下比降断面兼浮标上下断面,上下断面间距200 m,基线设于河道左岸,长100 m。基上350 m处有座便桥,测验断面下游830 m处建有沣惠渠大坝,坝顶高程395.56 m,基下800 m处有潏河汇入,当潏河涨水时,基本断面水流受洪水顶托影响。基本水尺断面架设闭口式吊箱缆道1处,用于流量、泥沙测验。

2 比测分析

2.1 比测分析目的和方法

通过对比分析,确定HADCP是否适用于秦渡镇水文站的测验环境以及验证HADCP在替代传统流速仪测流的可行性和优越性,提升河道流量数据监测手段,改变传统测验方法,提高测验精度和效率,减轻职工常规测验工作强度。

以HADCP施测的指标流速V指标与常规缆道所测流量计算出的断面平均流速V平均建立相关关系,再根据相关关系计算出关系线上的查线流速V查线,即率定得到V查线=f（V指标）关系式。为使HADCP与常规缆道测流率定资料时间同步,指标流速选取与常规缆道测流平均时间最接近的HADCP所测的数据参与率定分析。

2.2 SL500型HADCP的原理

HADCP的测量原理是多普勒效应,即声波发生器向水中发射固定频率的声波短脉冲,这些声脉冲碰到水中的散射体（浮游生物,泥沙等）将发生散射,被散射体反射回的声波就会被接收器接收到,当散射体有相对运动,其反射的声波在频率上有一定的变化（频移）,这种效应叫做多普勒效应。在测量中声波发生器向水中发射声波频率将会与声源的发射频率有差异,根据测量频差,可计算得到水流的速度。HADCP测量的是水体中代表水体某层的平均流速（指标流速）,并非河道水体的平均流速。

式中：fd为声学多普勒频移,kHz；为回波频率,kHz；ν为颗粒物沿声束方向的移动速度,m/s；c为声波在水中的传播速度,m/s。

2.3 SL500型HADCP的安装

2.3.1 SL500型HADCP组成与主要技术指标

1）HADCP组成

HADCP由水下（换能器）、水上（RTU）两部分组成,两者用电缆连接。水下部分包括测速、测深换能器。

2）主要技术指标

测速距离：120 m；水位测量范围：18 m；水位准确度：±0.6 cm（＜6 m）,±0.1%（≥6 m）；测量时间间隔：可设置；通信：RS-232 和SDI-12 通讯协议；测速分辨力：0.1 cm；工作环境：-5℃～40℃；温度测量准确度：±0.1℃；电源：12 V；功耗：0.7 W～1 W。

2.3.2 SL500型HADCP的适应条件

1）仪器安装断面需基本稳定、顺直,满足仪器在固定位置能施测到各级水位时的流速。

2）仪器安装的高度基本原则是水深的0.6 处,水深在仪器施测范围内。

3）采样单元要有较好代表性。通常河流的主槽最具有代表性,ViewArgonaut软件多流层功能可以分析。在仪器测量范围中选择最合适的单元大小,采样单元不应包含回水、紊流部分。

4）保证无障碍的通道。超声波传播路径上障碍物会影响流速数据,发射的超声波是一个锥体,有一定的指向角,对测量河道的水深有一定的要求,SonTek探头指向角1.4°,纵横比1∶（20～40）。

2.3.3 SL500型HADCP的安装

根据秦渡镇水文站测验河段现场实际,HADCP安装在河道左岸基座上。基座是砼和钢结构。安装时应使超声波换能器水平,以保证声束为水平发射。HADCP主机的安装高程根据河道主流位置和断面水深具体情况而定。连接电缆需安全牢固。HADCP安装位置为基本断面起点距15 m处,仪器安装高程为394.20 m。安装支架为2.50 m（高）×0.50 m（宽）×0.30 m（厚）的不锈钢支架,固定在垂直插入到河床底部2根钢管立柱上,通常露出水面0.5 m～0.7 m,仪器垂直嵌入不锈钢支架内,仪器安装水平,基本与流向垂直,仪器两个声学传感器位于同一水平面上,保证波束为水平发射。仪器水平测速距离为45.0 m。由于HADCP主机与显示部分为有线连接,为直流电源供电,考虑到仪器的维修,在不锈钢支架内安装了滑轮板,便于仪器上下移动和拆卸。防雷击是仪器安装时很重要的保护措施,显示部分采用浪涌保护器,HADCP与显示部分连接的电缆线外套金属管或铝塑管,并可靠屏蔽接地,其接地电阻应小于5Ω。

2.3.4 HADCP数据传输流程

HADCP为在线实时监测仪器,可远距离传输,采用公网,具体传输流程见图1。

图1 数据传输示意图

2.3.5 SL500型HADCP的维护

①换能器面不能压在硬物上,也不能长期受太阳光照射。

②当仪器水中取出时要清洗HADCP表面。

③每次插H-ADCP上的插头时,需抹少许硅脂。

④插好H-ADCP上的插头后,要锁好锁圈,而在拔下插头前,一定要先松开锁圈。即使H-ADCP不在水中,也可以让它发射声波脉冲,即在空气中可以检测ADCP,而不会有任何损坏。

3 HADCP比测率定分析

在HADCP采样的同时,用常规缆道同步测速（测流）的方法进行对比分析。该站采用吊箱缆道与HADCP同步测速的方式进行比测率定。

3.1 HADCP采样时段设置

非汛期（1 月～5 月,10 月～12 月）水位、断面稳定变化甚微,采样时段设置为每18分钟测速一次；汛期（6 月～10 月）水位、断面变化频繁、洪水时变化剧烈,采样时段设置为每6 分钟测速一次。

3.2 比测率定资料收集

2011 年1 月1 日开始进行比测率定工作,截至2013 年1 月共取得了35 次比测资料,其中32 次为流速仪法、3 次为ADV法。

选用2012年5月、9月两次洪水过程观测水位与HADCP同步水位作为水位抽样进行水位比测分析。

4 HADCP水位、系数分析计算

4.1 比测资料分析

4.1.1 比测资料摘录

共取得比测资料35 次,其中32 次为流速仪法、3 次为ADV法,常测法（0.6一点法）13次,占37%,多点法22 次,占63%。比测最大流量316 m3/s、最高水位396.76 m；最小流量1.88 m3/s、最低水位395.44 m,实测最大含沙量1.30 kg。

人工观测水位与HADCP同步水位共摘录179 次,最高水位396.68 m,最低水位395.52 m,水位变幅1.13 m。

4.1.2 比测资料合理性检验

流速仪测流结束后认真检查各项记录,输入流量计算程序,点绘垂线流速分布图,检查其合理性,发现反常现象,立即复测,严格执行“四随”工序。比测资料计算正确,符合断面特性,精度较高,通过资料审查验收。

4.1.3 比测资料系列

水文分析计算系列样本最少为30个,分析系列为35次,满足水文分析计算要求。

4.2 HADCP水位分析计算

HADCP水位指标为：水位变幅小于6 m,准确度控制在±0.6 cm,水位变幅大于等于6 m,准确度控制为0.1%。抽样水位变幅1.13 m,准确度应按±0.6 cm,秦渡镇（五）站水位观测最小单位为1 cm,计算准确度为1 cm,经分析计算,179 次水位中,准确度小于等于1 cm的有47 次,准确率为26%。根据《水位观测标准》（GBJ 138-90）第五章第二节规定,自记水位计比测不确定度不应超过3 cm,经过统计小于等于3 cm的有77 次,准确率为43%,水位比测值最大相差53 cm。

4.3 HADCP系数分析计算

4.3.1 均值法

选用33 次比测资料的断面平均流速与HADCP指标流速,按K=Vd/Vadcp式分别计算各次系数,取均值,得HADCP系数为0.96。式中,K为HADCP系数；Vd为断面平均流速；Vadcp为HADCP断面指标流速。

4.3.2 回归方程法

选用33次比测资料,采用回归方程法计算HADCP流速系数。得回归方程为：y=0.93x,相关关系为0.99。回归方程见图2。

图2 秦渡镇（五）站HADCP系数相关图

4.3.3 相关曲线法

选用33次比测资料的断面平均流速与HADCP指标流速,点绘断面平均流速与HADCP指标流速关系曲线,HADCP系数为0.93。

4.3.4 HADCP系数确定

通过对秦渡镇（五）站比测资料分析计算,采用均值法、相关曲线法和回归方程法进行分析计算,均值法系数为0.96；相关曲线法系数为0.93；回归方程法系数为0.93,三种分析方法结果相近,综合三种分析计算结果,秦渡镇（五）站HADCP系数选用三种方法平均值确定为0.94。

4.3.5 流量小于5.00 m3/sHADCP系数分析

秦渡镇（五）站低水,即流量小于5.00 m3/s以下,受沣惠渠大坝影响,形成湖面,断面水流流态复杂,时常出现回流现象。2013 年1 月23 日,采用ADV进行比测率定工作两次,从比测资料分析发现,ADV测流时段选用100 s,测流方法采用2 或3 点法,可以消除流速脉动现象,测点流速有负值现象,但测验断面有流量通过。HADCP指标流速为瞬时值,时正、时负,流速极不稳定,无关系可寻,HADCP低水系数有待进一步率定。

4.4 系数分析检验评定

4.4.1 相关曲线的三项检验

通过对相关曲线进行三项检验,即符号检验、适线检验和偏离数值的合理性检验,相关曲线的标准差为6.5%,随机不确定度为13.0%,系统误差为1.0%,检验结果满足《水文资料整编规范》（SL 247-1999）2.3-2.4要求。

4.4.2 HADCP流速系数的质量评定

对33次比测资料进行合理性检验,检验结果满足规范要求。最大误差18.8%,最小误差0%,误差小于10%,合格率为87.9%。

5 误差分析

5.1 流速仪测流误差

1）测量误差。如起点距定位、流速仪定位、水深测量都存在一定误差。

2）设施设备误差。吊箱缆道上下、左右摆动对流速仪测速误差,秒表计时误差,流速仪检定误差等。

3）流向偏角误差。

5.2 HADCP测流误差

1）仪器本身系统误差。声学多普勒流速仪利用多普勒原理测量流速,所以仪器的流速准确性指标为1%。

2）仪器安装造成的误差。仪器应垂直于水流方向,Vx轴垂直于自然水流,Vy为0,做到Vy为0几乎不可能。

3）水流、泥沙等因素影响。

6 结论与建议

1）SL500型HADCP采用声学多普勒原理测量流速,运用网络传输技术,实现河道水位,流量的实时在线监测。秦渡镇（五）站测验断面水流条件非常适合该仪器的使用,实现水位、流量在线监测。

2）秦渡镇（五）站采用吊箱缆道比测率定HADCP系数,选用33 次比测率定资料,采用均值法、相关曲线法和回归方程法分别计算HADCP系数,HADCP系数为0.96、0.93、0.93,系数比较接近,综合考虑,取其均值,秦渡镇（五）站HADCP系数确定为0.94。通过误差分析、质量评定,比测资料精度较高,系数分析合理。

3）秦渡镇（五）站比测率定最大流量316 m3/s、最高水位396.76 m,比测率定最小流量1.84 m3/s、最低水位395.56 m。根据《水文资料整编规范》有关条款,系数应用幅度可延长30%,流量400 m3/s。故流量在5.00 m3/s～400 m3/s之间停止人工测流,采用HADCP监测数据。