1. 引言
在线式声学多普勒流速剖面仪(On-line Acoustic Doppler Current Profiler以下简称在线式ADCP)是一种先进在线流量监测设备,具有高精度、高分辨率特点,可以使用较小的单元,在较短的时间步长内获得精确的流速数据,对于较难测验的低流速和非恒定流也能获得高质量的测量数据;具有采用时间短、流速准确的特点,适用于多类河流的流量监测。在线式ADCP的主要测取测流断面特定区域的指标流速,要真正实现流量在线监测,还需建立指标流速与断面平均流速的关系。断面平均流速采用转子式流速仪、走航式ADCP等设备测定。现以虎山水文站为例,简述在线式ADCP流速关系的率定方法。
2. 虎山站概况
虎山水文站建于1952年4月。东经117˚16'北纬28˚55',位于江西省乐平市鹭鸶乡石里村,在乐平市区上游25 km,为乐安河控制站,集水面积6374 km2。测验项目包括降雨、水位、流量、蒸发、悬移质含沙量,属一类精度水文站,资料系列自1953年至今。除担负基本水文资料收集外,主要承担乐平市城市防洪、水环境监测、周边和下游地区水情信息服务等工作。
测验河段的顺直长约300 m,上游约200 m处有一大弯道,下游1500 m处有急滩,并有“雌雄”两座老虎山矗立两岸,对本站的水位流量关系起控制作用;下游700 m处有一深潭,深潭上游有一石嘴伸入河心,附近有一沙洲,对本站的低水起控制作用。断面右岸为岩石,左岸为沙石;河床基本稳定;水面宽变幅300 m;水流方向自南向北。
洪水来源为上游降水;一次洪水过程2~3天,洪峰持续时间2~3小时,具有暴涨暴落的山区河流特性;洪水一般为单峰型,间断性暴雨时也会出现复式或连续多个复式峰型;水位流量关系:低水为临时曲线,中高水主要受洪水涨落影响,表现为逆时针绳套关系。目前资料整编采用临时曲线法和连时序法定线。
3. 设备简介
3.1. 在线ADCP系统
虎山站在线ADCP测流系统,由Horizontal Acoustic Doppler Current Profiler传感器、数据处理、采集传输系统和拓泰流量在线监测智能管理平台构成。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,实现了流量流速监测管理的实时化、自动化、智能化,系统拓扑图见图1。
水平式ADCP传感器是美国维赛公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500),主机外壳为33.2 cm (宽) × 17.8 cm (高) × 12.4 cm (厚)的实体,正面有2个水平声学传感器,用于测量水层水体流速;顶端有1个垂直声学传感器,用于向上测量水深。在线ADCP是利用声学多普勒原理测量水体流速,测量单元的起点、终点,即单元的长度和位置都可以由用户根据需要设定。对于实时流量监测,一般可取每300 s或600 s输出一个数据。内置4 MB内存,可存储200,000个数据。
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Figure 1. Topology diagram of online ADCP system
图1. 在线式ADCP系统拓扑图
3.2. 技术参数
虎山站在线ADCP系统技术参数见表1。
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Table 1. On-line ADCP technical parameters
表1. 在线ADCP技术参数表
3.3. 设备安装
安装高度:在线ADCP探头应安装在历史最低水位以下,以保证在出现历史最低水位情况下仪器能正常运行。根据虎山站的历年统计数据,历史最低水位为18.62 m,最高水位为31.18 m。综合安全、仪器性能等因素,选择在高程为18.25 m。采用2~80 m范围内的水平平均流速作为指标流速。
安装角度:考虑到仪器本身性能、技术要求及安装环境,将探头发射波束的上表面调整为水平,以保证出现极端水位的情况下仪器能正常运行,并保证精度。
4. 率定分析
4.1. 率定方法
为实现虎山站在线式ADCP正式应用的目的,依据《声学多普勒流量测验规范》 (SL337-2006) [1] 有关规定及相关技术要求,必须开展指标流速与断面平均流速关系的比测和率定工作。其中指标流速采用在线式ADCP测量,断面平均流速采用转子流速仪测定。要求在高中低各水位级同步测量30组对比数据以上,通过线性回归的率定分析方法,确定其流量或流速关系。
4.2. 率定期间水文情势
本次率定资料的时间段为2017年1月13日~2018年7月31日。在此期间,虎山站出现14次中高洪水过程,最高水位为30.00 m,最低水位为18.62 m,占历年水位变幅90.3%。
4.3. 关系率定
采用虎山站转子流速仪与在线式ADCP的成果进行对比分析,以在线ADCP施测的流速(指标流速,即V指标)与转子流速仪所测流量计算出的平均流速(断面的平均流速,即V转子)建立相关关系。为了使在线ADCP与转子流速仪的率定资料时间同步,指标流速选取与转子式流速仪测流起讫时间内的在线ADCP所测的指标流速的平均值。
本次分析资料的时间段为2017年1月13日~2018年7月31日,缆道测流共238次,其中5次ADCP数据中断,6次ADCP数据为零,无法参加率定,舍去;最终参与率定分析的测次共计227次,点绘两者相关图(见图2)。根据最小二乘法原理,得出两者之间关系:
(1)
对V转子~V指标关系线进行三线检验分析,定线精度指标参照《水文资料整编规范》 [2] (SL247-2012)表3.3.4规定,检验分析结果见表2。
4.4. 误差分析
虎山站在线式ADCP安装位置在左岸漫滩下游位置,断面以下河道呈喇叭状散开,右岸因山体阻挡形成深潭,左岸为缓坡。根据水流规律,上流来水经过漫滩后,河流中泓在ADCP断面处会向左岸移动,右岸容易形成紊流、回流。采用走航式ADCP分别测验断面高、中、低水流量,也可得出在线式ADCP断面中泓部分位于断面左岸部分,靠近右岸30米左右为紊流、回流,见图3。统计在线ADCP所收集指标流速数据,小于零的流速数据占比6.7%,为零的数据占比为6.4%,见表3。
5. 结论建议
5.1. 结论
1) 在线式ADCP是一种先进的、技术含量高的测流仪器,它具有安装简便,日常运行成本低,维护少,快捷、
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Figure 2. On-line ADCP correlation diagram of rotor velocimeter
图2. 转子流速仪在线ADCP相关图
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Table 2. Test results of the relationship between Rotor Velocimeter and online ADCP
表2. 转子式流速仪与在线ADCP关系检验成果表
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Figure 3. Velocity distribution map of walking ADCP Section
图3. 走航式ADCP断面流速分布图
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Table 3. On-line ADCP flow velocity data statistical at Hushan hydrological station
表3. 虎山水文站在线ADCP流速数据统计表
实时、准确的优点,并对外界抗干扰能力强、对不同水流具有较好的适应性。
2) 虎山水文站在线式ADCP安装断面右岸30 m左右为紊流、回流,中泓部分位于距右岸100 m左右;根据仪器工作原理,ADCP探头收集有效监测距离内的流速作为指标流速,有效监测距离为右岸2~80 m,虎山水文站在线式ADCP目前安装位置所收集的指标流速不具有代表性。
3) 从监测数据结果上看,虎山在线式ADCP收集的指标流速,小于等于零的数据量占总数据量比值的13.1%,ADCP与转子流速仪测验数据进行对比,两者相关性较差;虎山水文站历年水位流量资料稳定,说明虎山水文站在线式ADCP目前安装位置所收集的指标流速不具有代表性。
5.2. 建议
1) 虎山水文站更换在线式ADCP换能器安装地点,继续收集数据,分析率定相关关系。
2) 在线式ADCP更换安装地点时要避开回流、紊流,靠近或处在河流中泓部分,所收集的流速数据应具有代表性;同时应兼顾仪器安全性及维护的便捷。