0.   引　言

在智慧水利系统的建设中，大量的流域水文要素构成了系统的数据底板，其中流量是水文监测中一个重要的监测要素^[1]。目前，水文现代化发展提出了在智能化建设方面“自动测报，巡驻结合”的目标^[2]，且近年来水文站点建设增多、水文基层技术人员不足，传统缆道测流监测手段耗时费力等问题对水文现代化发展有着较大的影响与制约^[3]。H-ADCP（水平声学多普勒流速剖面仪）在线流量监测系统的投产应用，可以弥补偏远山区河流监测的空缺，为水文信息化、智能化建设提供持续可靠的水文数据，有效解决在遭遇大洪水抢测洪峰流量时面临的人员不足和生命安全得不到保障等问题^[4]。此外，对国产H-ADCP的应用研究能有效促进国产水文自动化监测设备的研究发展。仁化站在2022年9月安装了一套HST-600型H-ADCP，仪器整体运行情况良好。

1.   测站概况

1.1   基本情况

仁化站位于广东韶关仁化丹霞街道水南村，设立于1953年2月，是国家二类精度站及国家基本水文站、北江上游浈江支流锦江区域代表站，集水面积1 476 km²，距河口40 km，测验项目包括水位、流量、降水量等。仁化站收集的水文基础信息，为分析锦江水文特性规律、研究河道演变和治理、实施水利工程的综合调度、促进水生态修复和保护、保障锦江流域防洪安全与供水稳定等提供支撑。

1.2   水文特性

仁化站测验河段约400 m顺直，上游约3.3 km处有急弯、急滩，站舍设在左岸，基本水尺断面位于自记台旁，测流断面位于基本水尺断面。该站左右岸为河堤，不易冲刷。河床为砾石、沙组成，河床较稳定。基本水尺断面上游7 km处有大型水库锦江水库，集水面积1410 km²，中间有小支流康溪水（集水面积52.1 km²）汇入，下游约2.4 km处有永久性闸坝1座（黄屋电站），对该站形成回水影响。

仁化站全年使用遥控船搭载ADCP（声学多普勒流速剖面仪）进行流量测验，水位流量情况主要受洪水涨落及上游锦江水库梯级电站水利枢纽工程运行调节、调度的影响^[5]，且锦江水库控制了本站集水面积的95.5%，因此采用锦江水库逐日平均出库流量作为仁化站流量，仁化站水文特征值如表1所示。

表  1  仁化站水文特征值

项目	特征值	时间（年-月-日）
历史最高水位/m	92.95	1973-06-28
历史最低水位/m	85.41	2014-11-07
历史最大流量/（m3·s-1）	2 020	1973-06-28
历史最小流量/（m3·s-1）	0	1993-07-09

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2.   H-ADCP测流系统

2.1   H-ADCP测流基本原理

ADCP是根据声波频率在声源移向观察者时变高，在声源远离观察者时变低的多普勒频移原理测量水体流速的。换能器既是发射器又是接收器。每个换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物（如泥沙、气泡）散射回来的声波。假定水体中颗粒物与水体流速相同，当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率低，发射频率与回波频率存在差值，差值确定如下：

式中：${f_d}$为声学多普勒横移频率，kHz；${f_\delta }$为回波频率，kHz；$v$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。

H-ADCP的声波换能器位于同一平面，采用代表流速法进行水道断面流量自动监测。代表流速法的本质是由局部流速推算断面平均流速，一般可采用单点流速、垂线平均流速或水平平均流速作为代表流速^[6]。为减少岸边紊乱水流对代表流速的影响，本次分析将仪器盲区设置为5.0 m，波束测量开始距离为8.0 m；为了让仪器的代表流速与实际更相符，设置的波束范围应尽可能包含断面主流区域；测量距离超过46.0 m时，波束有突变情况，所以测量结束距离设置为46.0 m。因此本次分析将8.0～46.0 m的水平平均流速作为代表流速。

为了得到断面平均流速与代表流速的关系，需测出断面流量和断面面积，从而计算得到断面平均流速。这种同步采样需要在不同的流量或水位情况下进行，这样就得到一组断面平均流速与代表流速及水位的数据。对数据进行回归分析或点绘相关图，即可得到断面平均流速$V$与代表流速${V_{SL}}$的回归方程或关系曲线^[7]。

回归方程的一般形式如下：

水道断面流量计算的公式如下：

式中：$Q$为流量，m³/s；$A$为断面过水面积，m²。

2.2   仪器安装及参数指标

H-ADCP探头安装在仁化站基本水尺断面下游15 m、起点距为0.5 m的河道堤岸支架上（图1），断面河床为沙及砾石，冲淤变化小，河道顺直，主流稳定，左右岸均为混凝土河堤。该断面安装H-ADCP后，截至2024年6月16日实测水位变幅4.70 m。RTU（远程终端单元）机箱等其余设备安装在仁化站水位自记台，可以有效防止被盗或人为破坏，移动信号和太阳能板采光条件都较好。

图  1  仪器安装位置示意图

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根据安装位置实际情况，对H-ADCP系统软件的参数指标进行设置（表2），保证测量范围有效覆盖主流位置^[8]。

表  2  仪器主要参数指标

安装 高程/m	测量 范围/m	流层剖 面数/层	采样 间隔/s	采样 时间/s	纵摇/（°）	横摇/（°）
86.41	8.0～46.0	13	300	60	0.65	-0.11

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3.   资料整理分析

3.1   比测资料率定

2022年9月30日至2024年6月16日，仁化站共收集了32组比测率定数据，满足《河流流量测验规范》中不少于30个数据点的要求。实测流量数据中有28组在仁化站基本水尺断面兼流速仪测流断面采用遥控船搭载走航式ADCP测量得到，有4组在仁化站下游1 600 m的桥梁（与H-ADCP安装断面之间无支流汇入）牵引无动力三体船搭载走航式ADCP桥测得到。率定过程中，仁化站实测最大流量682.0 m³/s；水位变幅85.65～90.17 m。所有率定测次流量除以相应断面面积计算得到断面平均流速0.10～1.76 m/s，对应代表流速0.07～1.96 m/s。表3为部分比测率定数据资料。

表  3  比测率定数据资料

序号	日期（年-月-日）	实测流量数据					基本水尺断面数据
		开始时间	结束时间	流量/（m3·s-1）	测流断面位置		水位/m	面积/m2	断面平均流速/（m·s-1）	代表流速/（m·s-1）
1	2022-09-30	10：24	10：44	40.9	基本水尺断面		88.94	291	0.14	0.08
2	2022-12-12	13：54	14：06	85.6	基本水尺断面		89.00	297	0.29	0.29
3	2023-01-12	12：15	12：21	39.0	基本水尺断面		89.03	299	0.13	0.12
										
32	2024-06-16	13：40	13：58	682.0	基本水尺断面下游1 600 m		90.17	387	1.76	1.96

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对实测断面平均流速资料率定时段进行分析^[9]，对应的H-ADCP代表流速为0.072～1.520 m/s，根据H-ADCP的测流原理，高流速时声波由于受到洪水中泥沙等悬浮颗粒的影响，探测距离比低流速时短，主流占比相对较少，仪器得出的代表流速会相对实际断面平均流速偏小，因此相关关系在高流速延伸时更适宜用后端有上翘的二次函数关系拟合。建立代表流速与断面平均流速相关关系式，相关关系式如下：

决定系数R²为0.995 5，两组数据建立的关系式有良好的相关关系（图2）。

图  2  代表流速与断面平均流速相关关系图

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对代表流速与断面平均流速关系曲线的随机不确定度、符号、适线和偏离数值进行检验^[10-11]。

（1）随机不确定度检验：V_代表～V_断面平均测点标准差Se=6.8%，随机不确定度为13.6%≤14%，达到规范规定的精度要求；系统误差为0.02%≤±1%，达到精度要求^[12]。

（2）符号检验：n=32，K=17（K为正号个数），u=-0.18<1.15，认为合理，符号检验通过。

（3）适线检验：n=32，不变换符号“0”次数为14，变换符号“1”次数为17，变换符号次数大于不变换符号次数，免作适线检验。

（4）偏离数值检验：n=32，平均相对偏离值△P=-0.02%，P的标准差S=6.68，△P的标准差Sp=1.18，统计量t=-0.02，|t|=0.02<1.31，认为合理，偏离数值检验通过。

上述检验均达到规范要求，认为定线正确。

3.2   流量精度对比分析

将32份实测流量与H-ADCP流量进行对比，结果如表4所示。其中实测流量与H-ADCP流量相对误差的绝对值平均为4.59%，最大为17.90%，最小为0.27%，相对误差≤±12%的比例达到90.6%，≤±10%的比例达到87.5%，说明代表流速和断面平均流速的率定关系可靠，可以应用在日常的流量测验工作中^[13]。

表  4  H-ADCP流量与实测流量比较表

测次	水位/ m	实测流量/ （m3·s-1）	断面面积/ m2	平均流速/ （m·s-1）	H-ADCP 流量/（m3·s-1）	相对误差 绝对值（%）
1	88.94	40.9	291	0.12	35.5	13.20
2	89.00	85.6	297	0.29	84.5	1.29
3	89.03	39.0	299	0.15	45.1	15.64
						
32	90.17	682.0	387	1.74	674.1	1.15
最大值	90.17	682.0	387	1.74	674.1	17.90
最小值	88.83	28.0	272	0.12	32.0	0.27

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3.3   逐时流量过程线合理性分析

选取仁化站2023年6月的洪水进行逐时流量过程线对比（图3）。从流量过程线来看，H-ADCP流量相较于整编流量基本一致偏大，因为仁化站整编流量为上游锦江水库出库流量推流得到，而锦江水库出库与仁化站之间存在一定的集水面积差并且两个断面间有一处康溪水支流汇入导致实际仁化站断面流量高于锦江水库出库流量。

图  3  H-ADCP流量与整编流量过程对比图

Figure  3.  Comparison chart of online flow and consolidation flow process

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4.   效益分析

采用H-ADCP进行流量监测，增强了仁化站的自动化监测能力，具有流量资料连续性好、监测运行成本低、资料整编效率高等优点。流量测验的在线化，为智能水文站的建设提供了良好的数据基础，也为水文行业从人工缆道测流、人工纸质整编测流资料，向自动化实时流量监测、流量数据在线整编的信息化转型升级提供了有力的支撑。近年来广东省短时间小范围强降水频发，“2024.4韶关洪水”“2024.6梅州洪水”等大多发生在人员无法快速抵达的粤东西北的山区性河流，具有汇流形成快、水位涨落差大等特点，H-ADCP能够持续有效地监测洪水发生过程，为山区河流的预警预报提供支撑。在枯水期时，可以持续监测水库下泄流量，为生态流量保障的考核提供依据；在汛期时，能够有效监测洪峰流量，为水库的精准调度削减洪峰提供有力支撑，同时也能节约水文测验人力投入其他监测任务，并且可以有效减少洪水期间的水文人员测验工作时的安全问题。H-ADCP的推广应用有利于减轻水文行业不断增加的水文数据收集工作，从而将主要的生产力放在后续水文数据加工，水文产品提升等方面。因此，H-ADCP作为一个安装简单使用方便的流量监测设备，在未来洪水预警预报和水文现代化发展中有着重要应用前景。

5.   结　语

通过对流速的比测分析及在线流量与实测流量的精度对比分析，H-ADCP代表流速与断面平均流速的率定关系式V_断面平均=0.056 3V_代表²+0.746V_代表+0.0635合理可靠，达到规范规定的精度要求，可以在仁化水文站投产应用。

采用H-ADCP进行水文测验时应注意以下几点：①仪器安装时应考虑安装高程尽可能满足各级水位的入水深度，选取仪器安装断面应尽量选择水位、流速、流态稳定及冲淤变化小的断面，以防使用过程中率定公式频繁失准需要重新校测。②在设备应用期间需持续做好各级水位和流量下的比测分析，以拓宽设备测验应用的流速范围，确保仪器的测验精度。③应做好防雷措施并安装“禁止电鱼保护水文设施”等标语，在河道水位降低至仪器探头露出水面前应及时关闭探头，以防设备损坏。

对比H-ADCP流量与整编流量洪峰涨落过程发现，洪峰流量越大时，H-ADCP流量与整编流量的差值越大，说明相同河流上下游不同断面的集水面积差并不一定能够代表断面流量的差值。断面流量受到不同集水区域的径流系数影响，山区和城镇在降水强度相同的情况下，城镇对降水的留置明显小于山区。近年来小区域内短时强降雨多发，城市内涝加重，山区性河流易发超历史洪水，应该加强对不同区域的径流实验及相关分析，以提升极端洪涝灾害情况下的水文测报及预警防汛能力。