ADCP在浙江水文中的应用

吕耀光 黄 健

(浙江省水文勘测局，浙江 杭州 310009)

摘 要：本文介绍了目前世界上最先进的流量实时测量仪器ADCP在浙江省各水文系统的应用。其中固定式ADCP安装在大河、山溪性河流、平原水网地区和感潮河流，实现在线的流量实时监测；走航式ADCP用于选定的测流断面的巡测和承担抗洪抢险及其它突发事件的应急测量任务。这些年，ADCP在我省的钱塘江、兰江以及一些平原、山区河流都得到了很好的应用，积累了一定经验，为今后广泛应用ADCP进行水文测验打下了基础。
关键词：ADCP；浙江；水文；应用

　　浙江省国民经济的迅速发展给水文测验技术的进步提供了极好的机遇和环境。近几年来，ADCP已经在全省各地区水文系统得到应用。目前，在我省已安装使用了15台不同类型和不同型号的固定式ADCP和3台走航式ADCP，这些先进仪器，正在发挥其作用，并获得了较满意的效果。

1 选用先进仪器的思路
　　浙江省位于我国东南沿海，全省八大水系的主要特点是：“源短流急，下游感潮”。为了满足浙江省不同类型河道测流的适用性和现代化流量仪器选型的需要，我们在2000年初将声学多普勒水流剖面仪ADCP或ADP（以下统称为ADCP）作为改变落后测流设备的首选仪器。我们选用ADCP不仅仅是因为它是目前世界上最先进的测验仪器，而且它也非常适合浙江省许多河道的特点。
　　ADCP的全名是Acoustic Doppler Current Profilers，即声学多普勒水流剖面仪。它是利用超声波的多普勒频移的物理原理，可以以很高的分辨率测量垂直方向或水平方向水流的瞬时流速，同时还能测量河流深度或河流宽度，从而可以直接计算出河道的断面流量。
　　ADCP根据不同的测量方式，可以分成走航式和固定式两种。
　　1）走航式的ADCP是将仪器的水下换能器垂直固定在船舷边或船头，当船只从某岸航行到彼岸时，即可采集到计算流量所需的全部资料，包括河流深度、水流速度和仪器在河流中的水平位置，该位置是使用底跟踪技术通过对河底速度测量算出的。走航式ADCP的一个突出特点是它能测出垂直于航线的流速分量。流量测量的结果不受选用的航线影响，可以选取垂直航线、斜航线，也可以选取之字形航线，甚至在河流中段绕圈子的航线进行测量。采用不同的工作频率和不同的分辨率可以适用于不同的河道流速和不同的河流深度。这种形式的ADCP，其测量范围：流速为0～10 m/s，精度为± 1 % 、±0.5cm/s；河道深度6～180m（视不同的型号，不同的工作频率）。
走航式ADCP的最大特点是：⑴ 可以不受河宽的限制，当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，即刻测出河流的流量；⑵ 适合巡测，可以在不同的河道上使用；⑶ 流量的测量精度比固定式高。
走航式ADCP在测量时，作业船航速是影响流量测量精度的重要因素，且可以由测量者控制。航速越低，流量测量误差越小，一般航速可以控制在0.5~1.0 m/s之间。河面越宽、河流流速越大、系统频率越高、系统发射速率越快，其流量的测量误差就越小。一般来说，走航式ADCP适合于水文巡测。
　　2）固定式的ADCP有二种测量方式。一种是垂直测量方式：是将仪器的水下换能器垂直向下装在水面下的某一个固定位置，向下发射超声波，或者是将换能器垂直向上装在河底的某一个固定位置，向上发射超声波。测得垂线平均流速，从而推算出断面的平均流量。另一种是水平测量方式：是将仪器的水下换能器水平方向装在水面下的某一个固定位置，面向河道的彼岸水平发射超声波，测得某一段单元长度内的层平均流速，与断面的平均流速建立关系后，再计算出河道断面的瞬时流量。固定式的ADCP，是目前国外推出的新一代流量计，它具有安装容易，操作简便，精度高，价格低，维护方便等优点，测量范围：流速为0～6m/s，精度为± 1 % 、±5 mm/s，实测的最大水平单元长度在6～120m左右（视不同的型号，不同的工作频率）。
　　固定式ADCP的最大特点是：⑴ 不需要航船，仪器的价格低于走航式ADCP，因此总的投资就相对比较少；⑵ 它的安装、操作和维护都比较简单易行；⑶ 仪器可选配超声波水位探头，在测速的同时，直接测量出水位；⑷ 可以在线实时和自动定时监测流量。
　　一般来说，固定式水平ADCP适合于在线的监测和固定测站断面的流量测验。
　　为了验证ADCP在我省的适应性，嘉兴水文站率先于2001年5月在嘉兴市青阳汇水文站感潮河段的测流断面进行了固定式水平ADCP与传统的转子式流速仪的同步比测试验工作。采用 “淘金者”－SL测得的层平均流速，与用缆道的测流代表垂线实测的垂线平均流速进行比测。经过七天的试验，将近一千测次比测的数据进行回归分析后，其结论是：二者之间误差小于10％的上线率达到85％以上，符合水文测验规范的要求。

2 ADCP在浙江水文中的应用
　　2002年汛前，我们首次订购美国的“淘金者”－SL型固定式ADCP，分别安装在大河站兰溪水文站，山溪性河流的瓶窑水文站、水网地区的德清水文站和感潮河流的青阳汇水文站等不同类型的水文测站，以期望能实现在线的流量实时监测。
　　在当年汛期中，兰溪水文站安装的“淘金者”―SL型仪器经受了历史高水位、高流速的考验，用该先进仪器实时测量的数据为防汛抗洪提供了大量、及时的资料，显示了该仪器的优越性。浙江省政府和省军区领导在视察了现场和观看了仪器的实际操作后，对仪器的性能和先进性给予了高度评价，当即决定专门拨款并指示应在全省重点水文站配置“淘金者”－SL型固定式ADCP。到目前为止，我省已在15个站点安装了不同工作频率的“淘金者”－SL型固定式ADCP。
　　为了适应巡测的需要，我们还购买了走航式ADP系列中的新产品－“河猫”RiverCat。“河猫”自带三体船，可以在桥上用绳牵着横跨断面进行测流，也可用小船拖着测流，小巧灵活。放在汽车的后座，测完一处，马上就可以另换一地，非常适合巡测。同时，我们利用“河猫”可灵活移动的特点，在不同的水位，根据需要将“河猫”带到装有固定式SL的断面进行对比测流，以对SL的流速系数进行率定，方便而准确。
　　“淘金者”－SL仪器的固定安装，应视不同的应用环境和条件采取不同的安装方法。使采样的单元长度即水平层平均流速与断面的平均流速，在不同级的水位都具有良好的代表性和建立起很好的回归关系。这样实时监测的层平均流速即可转换成断面平均流速；带有水位探头的SL可以同时实测水深，通过预先输入到仪器软件中该断面的形状，仪器自动计算出断面面积；并由自带的内置流量计算软件，直接计算和显示出实时的瞬时流量。
　　我省平原水网地区的嘉善水文站和潮流量站的澄浪堰水文站使用“淘金者”－SL仪器都有非常成功的经验。嘉善水文站所属的红旗塘、陶庄和丁栅三个站都是无人值守的水文测站，自去年以来分别安装了SL仪器，平均每间隔15分钟自动测量一次，并记录在仪器内存中。每半个月或一个月去测站一次，检查和维护，并将仪器内存中保存的数据下载到随身带的笔记本计算机中，带回到嘉善水文站整理成流量报表。嘉善水文站将非常繁琐的测流工作变得简单化，节省了大量的人力、物力和财力，而且资料的质量也得到了保证。
　　这些测站采用“河猫”，或缆道，或船测，在不同的水位级，分别与SL同步测流。用这些方法测到的流量，换算得到断面平均流速，与SL同步测得的层平均流速用回归方法进行分析。通过上述方法的率定，从而将SL的层平均流速与断面平均流速建立了回归关系。这些测站的回归关系都比较好，其回归系数都在96％以上。
　　图1（略）为澄浪堰水文站用SL测量出的层平均流速与用缆道比测计算得到的断面平均流速之间建立的回归方程，其回归系数R2达到0.9828，是一个非常好的关系。将这个回归方程和该测流断面的形状输入到仪器内置的流量计算软件中，仪器就可以自动显示实时的瞬时流量了（见图2）（略）。
　　为了掌握兰江中、低水位的流量，有利于富春江电厂的调度，2003年6月至10月，我局应用RiverCat（河猫）多普勒测流仪，选定兰溪洋港水位站断面为测流断面，进行大断面和流量测量，按水文测验规范，完成洋港站水位32.00~35.00米范围内的流量测验任务，满足该水位级的流量定线要求，并进行分析计算工作，制定了洋港站兰江中、低水位~流量关系曲线。(见图3) （略）
　　为了掌握整个钱塘江流域的入海水量，2004年2月9日－10日（农历正月十九－二十，小潮汛），我局在钱塘江闻家堰断面进行了多普勒流量测验，经过连续24小时不间断的测量，获得了钱塘江一次完整潮汐过程流速流量的详细资料。
　　流量测验从2月9日10：35开始至2月10日10：24结束，钱塘江最高潮水位6.10米，最低潮水位5.68米，潮差0.42米。钱塘江平均涨潮流量-1110立方米/秒，入海水量-2610万立方米；平均落潮流量479立方米/秒，入海水量2980万立方米；平均入海流量43.1立方米/秒，入海水量总计370万立方米。
　　图5（略）是钱塘江闻家堰RiverCat（河猫）测流流量时间过程图。

3 展望

　　水文测验产品质量是水文局的立足之本。如何保证水文测验产品的质量，怎样进行水文测验？在水文事业发展的今天，是摆在我们每个水文职工面前亟待解决的课题。水文局领导在各种会议上反复强调：在保证水文产品质量的前提下，要将过多的流量、含沙量测次减下来。难而事到如今，各勘测局在修订水文测验任务书时，对布置流量、含沙量测次的要求上未能充分体现水文局领导的要求。为此，作为一名技术管理管理者，我要呼吁各勘测局在修订水文测验任务书时，特别是对流量、含沙量测次布置要求上，不要过多地强调增加测次，更不能超出规范的要求布置测验任务，而要对已有测验资料进行分析，将过多的流量、含沙量测次减下来。
一、对开展流量巡测的站，执行《水文巡测规范》（195-97）中2.3条的具体规定，流量测次每年可测7~15次；对开展含沙量巡测的站，执行《水文巡测规范》（195-97）中6.2、6.3条的具体规定。
二、对未能实施巡测的水文站，流量测验执行《河流流量测验规范》（GB50179-93）中第1.0.4~1.0.8条的规定进行，对水位流量关系稳定的站，每年的流量测次在20次左右就够了；能开展流量间测的，应进行流量间测（可分为全年间测或枯水期时段间测），上游局有成功的经验；对水位流量关系不稳定的站，应开展水位流量关系单值化分析，以减少流量测次，中游局有成功的经验。含沙量测次的布置的问题，执行《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-92）中第1.0.5~1.0.6条、第3.2.1~3.3.8条之规定，对历年单断沙关系稳定的站，其输沙率测次在20次左右，最少的可测6次（特指单断沙关系线与功年综合关系线的变化在±2%以内）；关于单沙测次的布置，各站应结合含沙量的变化情况确定，如受水利工程建设影响的库区站、坝下游站的单沙测次布置，应根据含沙量的变化过程来进行，如河水清澈，好多天含沙量无变化，其单沙测次就应减少，不能机械地套用《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-92）中第4.2.1条规定；对于单沙停测可目测的要求，执行《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-92）中第4.5.1~4.5.3的规定。
三、水文事业要发展、要进步，对一些不符合水文测验的技术规定要敢于突破，敢于创新，敬请水文同仁本着言者无罪，闻者足戒胸怀，对测站减少流量、含沙量测次的布置有何好的建议，对《河流流量测验规范》（GB50179-93）与《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-92）中有妨碍水文事业进步的具体规定有何修改建议，请充分发表，另对本文观点的错误也一并指出，拜托了！
(稿件来源：长江水文网 发布时间：2006-12-22 9:52:06 作者： 季炎)