监测技术▏感潮河段流量在线监测方法研究 - 声学多普勒流速仪自动测量和分析系统

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感潮河段是指流量和水位受到潮汐影响的河段。感潮河段的水流特征与一般河流中单向水流不同，河流自然流态在潮水涨、落的影响下，顺逆变化，给河流流量的测验带来很大的影响。感潮河段受到潮流、径流及风浪的相互作用，水流多变，流态非常复杂，使得在测验仪器、测验方法和资料分析方面，要比无潮河流困难的多。河流流量是水资源评估的标准基础数据，准确、方便、快速的河流流量测量技术是其最基本的保障。对径入海河水径流通量变化进行研究，对于流域与河口的水资源管理与环境管理有重要的实际意义。

传统的河流流量测验方法包括人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量等，需要在测流断面上布设多条垂向，并在每条垂向上测量水深与流速，得到垂向平均流速进而得到断面平均流速，比较费工费时，效率低。为适应发展需要，水文工作对流量测验的精度、效率等要求越来越高，传统测流手段难以满足实际需要，新的测验方式、测验仪器逐步应用于水文测验中。ADCP即声学多普勒海流剖面仪是利用多普勒效应原理，测量高分辨率的瞬时流速，并测量水流深度或水流宽度，能直接计算出河道的断面流量，极大地提高了流量测量的效率和精度。该方法已得到较大范围的应用，其精度也得到了较为广泛的认可。

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祁祥礼利用走航式ADCP技术在鸭绿江的感潮河段进行了5个断面的流量同步观测工作，获得了大、中、小潮时的流量变化资料，并对潮汐影响进行了分析。陈利晶等在黄浦江的感潮河段中，对比分析了ADCP与传统流速仪在应用上的优缺点，结果表明了ADCP较传流速仪有着高效、精确、快速等优点。韦立新等针对长江下游感潮河段，通过指标流速法建立了ADCP在线测流系统，填补了长江感潮河段测验系列资料的空白，实现了流量实时监测及全年流量的过程推求。张华章利用水平声学多普勒流速剖面仪（H-ADCP），选取水平平均流速作为指标流速推算断面平均流速，构建了流量自动监测站。张红卫等利用HADCP测流技术，建立了指标流速与断面平均流速的一元二次线性关系，实现了自动测流系统。沈鸿金与詹智慧等研究了感潮河段河流流量自动监测系统，指出了感潮河段自动流量测验的复杂性，并以珠江三角洲的天河水文站为例，探讨了自动监测的精度与可行性。

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流量监测数据结合水质数据可以得到入海污染物通量数据，如果流量及水质均可以实现实时监测，则可实现对污染物通量的实时在线监测，可改善目前污染物通量仍多为基于稀疏数据估算的研究现状。林俊良等仍利用稀疏数据对广西近十年主要污染物通量变化进行研究。袁宇指出了由于监测频次低对于入海通量估算带来的数据稀疏问题，其原因即是当前监测数据非常有限。研究合理的在线监测实现方法与实现形式，对于实时掌握流量乃至通量等数据以及研究制定相关政策措施，均可提供强有力的技术支撑。目前已经有学者将在线流量监测技术应用至污染物通量监测研究中。邝俊侠等利用在线多普勒流量仪对水环境污染通量进行了在线监测研究，通过走航式ADCP进行了断面测量，采用指标流速法建立了经验公式，为通量的在线准确监测提供了技术参考。

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本文利用ADCP在滦河入海口感潮河段处，采用指标流速法建立了垂向流速与断面平均流速的关系式，并且运用在线监测的形式测量入海河流的流量，提高了流量测验工作的质量和效率。对比分析了下游水文站处与入海口感潮河段处的水文特性，指出了水文控制断面的选择对于感潮河段的科学意义，为提高我国水文预报精度及现代化水平，提供了技术支撑。

一、测站及测量概况

⒈滦河概况

滦河上游发源于河北省丰宁县巴延屯图古尔山麓，平面形态犹如闪电之形在坝上高原区，流经内蒙古，又折回河北，于乐亭县兜网铺注入渤海，干流全长888km，流域面积44750km2。滦河流域中上游是京津的水源涵养区和生态保护区，是京津冀协同发展的重要组成部分。滦河流域由于经济社会发展，其水资源供需矛盾突出，污染防治任务艰巨。同时渤海湾也以滦河口至黄河口为东界，是汇入渤海湾的主要河流之一。对滦河开展流量自动测量研究，分析感潮河段水文特性，可全面了解滦河汇入渤海湾的径流量，为滦河及渤海湾环境管理及治理工作提供数据支撑。

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滦河在位于河北省境内共有4个水文站，如图1所示，按照距入海口远近，分别为位于承德市承德县境内的乌龙矶、唐山市迁西县境内的三道河子、唐山市玉田县境内的郭家屯、唐山市滦县水文站。

图1 河北省内滦河水文站（全国水雨情信息网）

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每日各站位的流量信息可从水利部下属的全国水雨情信息网查到。滦县水文监测站是滦河最下游的水文控制断面，如图2所示，距滦河入海口处仍有70.6km，此区域内水文流量数据属于空白区域，无论是研究入海径流量及污染物通量，均存在不可忽视的误差。

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图2  测站位置

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⒉测量概况

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为全面了解滦河入海河段水文特性，本文首先于2018年9月13日在滦县水文站处利用走航式ADCP及“阔龙”声学剖面流速流向仪测量了流量及流速、流向。并于2018年9月14日在滦河入海口处测量了水文特性，利用走航式ADCP方法得到了断面平均流速及流量等数据，基于指标流速法，利用“阔龙”得到了垂向平均流速，通过率定分析，建立了感潮河段的流量在线监测站，分析了控制断面选取不同对流量监测的影响，实现了在河流最终入海处建立控制断面，并可提供滦河实时的入海径流量数据。

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本文采用指标流速法研究了感潮河段流量在线监测方法，指标流速是河流横断面上某处的局部流速（某一局部的实测流速），断面平均流速可以认为是河流断面上的总平均流速。断面监测的最理想情况是可以实现全断面的流速实时测量，加上河道面积信息便可以得到控制断面处的实时流量数据。

但是由于河道断面形状复杂及面积过大，现有水文仪器无法做到实时覆盖全部断面的测量，只能监测某一区间内的断面流速。指标流速法的本质是由局部流速来推算断面平均流速，建立断面平均流速与指标流速之间的相关关系，又称为相关分析法或回归法。实际应用中，有3种局部流速可以作为指标流速：点流速、垂向平均流速、水平平均流速，如图3所示。

图3 三种指标流速示意

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本文采用垂向平均流速作为指标流速，采用2MHz的“阔龙”声学剖面流速流向测量仪测量垂向平均流速，输出数据的时间间隔为10min。“阔龙”声学剖面流速流向测量仪的分辨率为1mm/s，准确度为所测流速的1%±0.5cm/s，测量剖面范围为0～12m，测速范围为±10m/s。测量时选用浮式平台作为搭载“阔龙”的支撑平台，如图4所示，测量方式为从水面至水底，“阔龙”利用“常平架”结构形式固定于浮式平台上，以保持自身姿态处于竖直状态。

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采用1200kHz的“瑞江”走航式ADCP测量断面流量及断面平均流速，ADCP安装在无动力无人船上，采用拖曳于渔船上的形式进行断面往复测量，如图5所示。走航式ADCP测速范围为0～±20m/s，分辨率为0.01m/s，测量精度为±0.25%±2.5mm/s，可测量70m以浅水深内的剖面流速、流向数据。

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图5 走航式ADCP现场测量图

⒊水文特性分析

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⑴滦县水文站

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滦县水文站处水面宽度约为113.2m，监测站位处水深为4.0m。采用“阔龙”测得的流速、流向过程曲线如图6所示，监测时间为9：30～16：10，分析数据取自1.5m层深。

图6 滦县水文站流速、流向曲线

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可以看出，滦县水文站处流速与流向数据均较稳定，显然没有受到潮波的影响，流向一直稳定在190°附近，总体标准差为17.24°。流速较小，平均流速为0.1m/s，总体标准差为0.02m/s。

通过走航式ADCP监测滦县水文站处的流量数据，监测时间为9：43～14：26，共14个测回数据，测得平均流量为50.1m3/s，当日滦县水文站上报流量为50m3/s。无人船测得的流量与水文站测得流量数据相对误差仅为0.2%，验证了测量方法的准确性。

⑵滦河入海口

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入海口处监测断面宽度约为344.6m，河面宽度较滦县水文站处增大了204.4%，监测站位处水深为2.0m，较滦县水文站处水深减小了50%。采用“阔龙”测得的流速、流向过程曲线如图7所示，流速与流向数据取自1m层深，测量时间为8：10～20：10。

图7 入海口处流速、流向过程曲线

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潮位数据来源于京唐港潮汐表，京唐港与滦河入海口直线距离仅相距35km，可借鉴此处潮位信息。潮位过程曲线如图8所示。

图8 京唐港潮位过程曲线

通过图7和图8可以看出，滦河入海河口属于典型的感潮河段，河流流向及流速受到海洋潮波影响显著，潮汐类型属于半日潮。高潮时和低潮时，流速最小，为转流时段；涨急与落急时段出现在半潮面处，故此处潮波属于驻波类型。当日最高潮位为2.22m，出现在3：43，最低潮位为1.08m，出现在22：17，当日最大潮差为1.11m。

9：40～15：40为涨潮阶段，流向在240°附近，为西流，海水由渤海湾倒灌进滦河，流速较小，最大流速为0.26m/s。16：00～22：00为落潮阶段，流向约为80°，为东流，河水由滦河注入渤海湾，流速较大，最大流速为0.50m/s。

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⑶流量估算

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感潮河段由于显著受到潮汐周期性涨落的影响，导致水文情况较常规河流更加复杂，如何精确地估算其入海径流量，是水文监测中的难点。根据河流水文特性，发展适宜的在线监测方法，可有效提高监测频次，缩小径流量估算误差。本文径流量监测属于短时估算方法，径流量计算公式见式⑴。

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式中：Qt为感潮河段的径流量；t0为落潮开始时间；t1为落潮憩流开始时间；t2为涨潮开始时间；t3为涨潮憩流开始时间。

本次监测得的落潮期流量平均为242.0m3/s，涨潮期流量平均为129.9m3/s，矢量和得到滦河入海口处流量为112.1m3/s。而滦县水文站处测得流量为50.1m3/s，流量数据增大了124%，在水文站至入海河口长达70.6km的范围内，滦河径流量有了很大的增长，控制断面设在最终入海口处，可以显著提高水文监测的精度，掌握更加精确的入海信息。

二、率定分析

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⒈比测

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流量在线监测实现流程如图9所示，根据流量计算公式Q=A伊V，其中A为河道断面面积，V为河道断面平均流速，实现A与V的在线监测，即可实现流量的在线监测。本文利用无人船搭载走航式ADCP在滦河入海口处开展了指标流速的比测工作，找到了垂向指标流速与全断面平均流速的相关关系，在运用走航式ADCP进行全断面流量测验的同时，“阔龙”以10min采样间隔进行测量。

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图9 指标流速法流程

比测前，各相关设备均进行了标准授时校准，相互之间偏差小于5s，确保时间同步。共同步施测点数22个，走航式ADCP平均单次测量耗时5′12″。对比测验资料进行整理计算，并对测验成果进行率定分析，得到滦河试验站指标流速Vi和断面平均流速Vp的相关关系。

图10 指标流速与断面平均流速关系曲线

建立率定关系又称作对指标流速与断面平均流速建立回归方程，常用的回归方程包括一元线性、一元二次、幂函数、符合线性等。通常可以采用几种方程进行回归分析，然后对回归分析结果进行综合评价后确定“最佳”回归方程。本文采用最小二乘法建立了一元线性回归方程，方程公式为Vp＝0.933Vi－0.0021，关系曲线如图10所示。其中指标流速来源于“阔龙”声学剖面流速流向测量仪，采用其垂向平均流速。

⒉误差分析

为衡量流速与断面平均流速关系曲线的预测吻合度，本文对关系式做了误差分析，选用决定系数、残差平方和、总平分和与均方误差来衡量关系式的质量，见式⑵～式⑸，误差分析结果见表1。

残差平方和SSE

式中：m为比测次数；yi是实测数据值；fi为曲线预测值。

总平方和SST

& W l' b- ? Z# K U

式中：yavg是实测数据点的平均值。

- |7 ^1 a8 i' A+ ]5 o

决定系数R2

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R2＝1－SSE/SST   ⑷

均方误差MSE

MSE＝SSE/m ⑸

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表1 关系曲线误差分析

4 |* a' h- S( u& N ?' m% H% k. C

回归方程

2 T$ m2 ^3 w1 e# a& F8 j

一元线性

比测次数

22

/ n' Y. H5 v _! |' F0 A3 ]

R2

7 t6 Z9 Y* a; \5 F% b

0.948

SSE

/ z, F! c' m# `. z

0.008

SST

0.154

X, y* A( Z; j5 T

MSE

: E9 [; {9 C' B" K$ U2 L

0.0004

从表1可以看出，本文建立的一元线性回归方程可以较好的预测断面平均流速，决定系数R2为0.948，均方误差MSE仅为0.0004。基于“阔龙”测得的指标流速与基于走航式ADCP测得的断面平均流速间的吻合度非常高，此回归方程可以用于滦河入海口处的流量自动测验工作中。

⒊检验分析

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《水文资料整编规范》（SL247-2012）规定：关系曲线为单一曲线、使用时间较长的临时曲线及经单值化处理的单一线，且测点在10个以上者，应做符号、适线和偏离检验。本文对上述率定关系曲线做了检验分析，结果详见表2。

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表2 检验结果

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检验类型

统计量

允许最大临界值

7 [. v6 i/ b2 F

检验结果

符号检验

! W5 L i J- H

U＝0.21

- _ W% l, i7 s1 w Y9 V4 j

允许：1.15

合格

（显著性水平）σ＝0.25

r2 u9 F& d- I! \7 v8 I

适线检验

( o3 ]0 W2 ~8 A5 I

U＝-0.44

允许：1.64

合格

) [# @0 W. W e8 b) H- h

（显著性水平）σ＝0.05

* V+ l/ ? M/ \ X5 c

偏离数值

︳t︳＝0.01

允许：1.73

d7 q& H Q- k0 V7 w* s

合格

+ f$ L* e3 h2 K/ }* k) ~

（显著性水平）σ＝0.1

从表2的检验分析结果来看，监测站“阔龙”测得的指标流速和断面平均流速关系检验的各项统计参数误差均符合规范要求，指标流速和断面平均流速关系成单一关系，利用垂向平均流速获取断面平均流速的方法是可行的，满足流量监测的需要。

三、在线监测系统

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本文研究的流量监测系统，目标是为完成感潮河段流量的实时、在线监测，以实现将入海河流的水文监测控制断面设在最终入海口处，提高现有水文监测数据的精度。本文建立的流量在线监测站可实时发送通过“阔龙”声学剖面流速流向测量仪测量的数据，上传至自动化监测系统，如图11所示，图中展示了自动监测站位位置。

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图11 在线监测站点

通过本系统可查看“阔龙”测量的各层流速、流向数据，实现了监测数据的实时传输，也可以查看并下载历史监测数据进行详细分析。结合上文通过率定分析得出的指标流速与断面平均流速的回归方程，可推导出测量断面的平均流速，进而可以得出断面流量，从而实现实时、在线流量监测的功能。

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四、结论

本文研究了滦河下游水文特性及实现流量在线监测的意义，并在滦河入海口处建设了流量在线监测站，获得以下结论：

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⑴滦河入海口处属于典型的感潮河段，潮波属于驻波类型，入海口处较最下游水文站处流量增大了124%，水文控制断面设在最终入海口处可提高水文监测数据精度。我国大多数河流的下游水文站均距离入海口较远，在入海口处设立流量监测站，可填补此区域内数据空白。

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⑵本文建立了指标流速与断面平均流速间回归方程，指标流速选为“阔龙”测量的垂向平均流速，回归方程的决定系数达到了0.948，均方误差仅为0.0004，并且符号、适线及偏离检验结果均满足规范要求。

⑶感潮河段受潮汐影响剧烈，尤其是涨急、落急时刻，流速变化非常快，而入海口处河流宽度普遍较大，单次测量时间较长，增大了断面平均流速的测量误差，如本文走航式ADCP单次测回平均耗时已经达到了5′21″。感潮河段断面测量可探索在同一断面上布设多条船只，采用同时、同方向测验的监测方式，以减小测量误差，提高关系曲线精度。

本文是对我国近海普遍存在的感潮河段流量在线监测方法的初步探索，后续研究应增加断面测量的时间及频次，并研究同时采用两种及以上局部流速作为指标流速的率定方法，以进一步提高关系曲线的适用性及精度。本文研究成果可以提高感潮河段的流量监测精度，为详细了解河流入海状况以及提高水文预报水平提供技术支撑。

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END

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【作者简介】文/侯二虎 汪小勇 武贺 周庆伟 吴国伟 白杨，均来自国家海洋技术中心；第一作者侯二虎，1986年出生，男，硕士，工程师，主要研究方向为水文调查与海洋能利用；本文为基金项目，国家重点研发计划资助项目（2017YFF0206900）；文章来自《海洋技术学报》（2020年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。

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