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1前言

在1997年大江截流中，ADCP、GPS等先進的儀器設備已經開始應用于截流水文監測工作中，并取得了良好的測驗成果。為大江截流順利完成提供了大量準確可靠的水文數據。三峽工程導流明渠截流，其截流落差、流量、及施工強度等指標均遠高于大江截流，對截流期水文監測也就提出了更高的要求，在分流比、戧堤頭流速、加糙區流速、龍口流速等水文要素測驗上，不僅要求測驗數據準確，而且要求隨截流施工進占隨時提供各項實時水文信息。為此，我們建立了全球定位測驗系統，利用此系統實現了全天候、快速多斷面的動態巡測，滿足了截流施工決策對實時水文信息的需求。

2全球定位測驗系統

2.1系統組成

全球定位測驗系統由DGPS導航定位系統、ADCP測驗系統及數據處理遠傳系統組成。其工作原理為利用DGPS實時差分模式準確測定測船及測線位置，配以

圖1全球定位測驗系統框圖

ADCP走航方式測驗斷面流量或定點方式測定垂線流速。實現了全天候作業，也克服了傳統定位系統不準確，易受天氣影響和測驗歷時長的缺點。

2.2DGPS導航定位系統

GPS定位具有精度高、速度快、全天候、距離遠等特點，滿足截流水文監測對導航定位的要求。導航定位系統由GPS基準臺、GPS流動臺、計算機、電臺、顯示器、電池及導航軟件等組成。

明渠截流水文監測區域集中在導流明渠及導流底壩段水域。GPS基準臺架設在導流明渠附近的三斗坪水位站，保證基準臺信號覆蓋整個截流河段。流動臺安裝于水文監測船上，使用HYPACK導航定位軟件將整個截流施工水域形象、分流比斷面、戧堤頭流速測驗位置、龍口流速斷面等用CAD技術做成數字導航圖。水文監測時，根據監測項目使用DGPS導航系統可準確到達監測部位，完成監測任務。

2.3ADCP測驗系統

ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）是利用聲學多普勒效應的基本原理，用聲學換能器作傳感器，將探頭置于水面下一定深度處，測驗水文要素，具有測驗歷時短、測速范圍大、不擾動流場等特點。

ADCP的測流原理：該儀器通過按一定規則排列的四個聲波換能器，其探頭向水體中發射脈沖聲波，然后接收來自水體中挾載的浮游生物、泥沙小顆粒等反射體的反射信號，依據反射信號的多普勒頻移計算水相對于ADCP的運動速度矢量；利用測底脈沖測量水深及測船相對于地球的速度矢量，取兩者矢量差值就是要測量的流速矢量。用航行速度乘以時間可計算出水面寬。有了水深、水面寬和流速，即可計算流量。

其流速測驗原理如下式：

式中：V­­——徑向速度（mm/s）；

FD­——多普勒頻移（NZ）；

FS­——­­ADCP聲波頻率（KHZ）；

C­——聲速（m/s）。

其流量測驗原理如下式：

式中：Q­——流量；

n­——L點法向單位矢量，L為橫渡河流路徑上任意一點；

u­——流量矢量；

z­——水深，積分取水面至水底和此岸至彼岸。

ADCP測驗系統由ADCP、計算機、WinRiver軟件組成。三峽河段及明渠截流水文監測區域水深流急，一般采用DR300型BBADCP和WH300型WHADCP進行流速流量測驗。兩款儀器主要性能指標見表1。

表1ADCP主要測量技術指標

型號

頻率

(KHZ)

測量范圍

測速

(m/s)

測深

(m)

DR300

300

＜10

＜120

WH300

300

＜10

＜200

2.4數據處理遠傳系統

數據處理遠傳系統由數據處理計算機、數傳電臺、數據處理軟件及專用數傳軟件等組成。數據處理計算機與ADCP測驗控制計算機用網線聯接組成局域網，便于測驗數據的傳輸及共享。

測驗斷面流量時，可以直接得到流量成果，對流量成果進行合理性檢查后即可。而測驗垂線流速時，將ADCP測驗數據導入數據處理計算機，用WinRivre軟件和專用數據計算程序處理為沿垂線水深分布的流速圖表。經處理的流速、流量和分流比的資料使用無線數傳電臺（35W的PacificCrest電臺，RADIOTRANS數傳軟件）傳送到水文氣象數據處理中心。水文氣象數據中心再進行綜合性檢查確認后，對外公布最后成果。

3全球定位測驗系統在明渠截流水文監測中的應用

3.1測驗項目及布置情況

在明渠截流水文監測中，全球定位測驗系統主要用于分流比、龍口流速分布、流場和戧堤頭流速分布等項目的測驗工作。共截流河段布置有3條分流比斷面、2條龍口流量斷面、10條流速斷面和16條流速垂線。見圖2。

圖2三峽工程明渠截流水文監測斷面布置圖

3.2分流比測驗

2002年09月15日，大壩導流底孔開始泄流，分流比測驗隨即開始進行。全球定位測驗系統安裝在風云二號測輪上，根據GPS導航圖的指引，使用ADCP走航式巡測Q01、Q02、Q03斷面流量，測輪以較慢的航速往返測驗每斷面流量，橫渡時盡量保持在規定斷面線上，以取得較好的測驗精度，取往返流量的平均值作為斷面流量。由于3條斷面之間相距不超過2km，一次測驗歷時基本可控制在30min以內，保證了資料的可比性和分流比的精度。測驗完成后，隨即將測驗成果用數傳電臺發送到水文氣象數據處理中心上網。選擇的Q01、Q02、Q03斷面規則，河床穩定，水流條件較好，受截流施工影響很小，測得的流量精度高，準確的反映了導流底孔分流比的變化情況。

在截流施工的前期，一般每天測驗兩次。進入高強度的龍口進占期后，測驗頻度逐漸增加，由每3h一次增加到1h一次，在合攏期達到每30min一次。使用全球定位測驗系統，無論是白天還是晚上、天晴還是下雨，測驗均能準時、準確的進行，滿足了截流施工對分流比變化實時了解的需求。施工管理決策部分利用及時、準確的水文信息，有效的控制和調整施工進度，保證了截流工程順利進行和實現長江不斷航，其經濟效益和社會效益巨大。

3.3流速分布測驗

截流戧堤頭及龍口布置的流速分布斷面、流速垂線因戧堤的不斷進占而相對移動，因而需準確測定流速分布斷面、流速垂線位置展開水文監測。一般使用河道測繪監測的截流戧堤的最新形象，制定標定有流速斷面、流速垂線的導航圖，使用DGPS導航系統導引測船到達監測部位，啟用ADCP測驗流速，并記錄斷面、垂線坐標。監測數據經數據處理軟件處理后形成斷面流速、垂線流速圖表數據，經過現場合格檢查后，數傳至水文氣象數據處理中心上網。每條垂線流速從測驗到只需幾分鐘，真正做到了實時測驗、實時。在戧堤頭流速分布測驗中，測船需要靠近戧堤頭，戧堤頭處落差大，水流形成跌水，泡漩多，急流區與緩流區交錯，過渡帶很窄，截流用大塊石和四面體不斷的翻滾下來，測船在此區域測驗操作極為困難，為了測船安全及操作方便，將ADCP改裝到船頭，使得船長能夠方便的控制測船以實現準確定位。實際測驗過程中，測船沿戧堤頭下游流速較大的水域迎水上行，到達測驗位置后相對穩定測船實施項目測驗，這種測驗方式成功用于下龍口流速分布測驗。

3.4下龍口流速分布測驗

當下龍口寬縮窄至60m后，風云二號輪載ADCP安裝在船頭的全球定位測驗系統進入下龍口進行最大流速搜索測驗工作。測船從下龍口下游中泓沿主流逆水而上，并在下龍口截流戧堤軸線下100m處開始采用動船定位法測驗垂線流速分布，測船每上行20m測驗一線，直至軸線，測驗完成后，保持測船船頭向上游的方向，減小動力，使測船沿水流方向慢慢退回到安全水域，完成一個測次的最大流速搜索測驗工作。在下一個測驗時間再用此法進行，直至測船不能進入下龍口為止，較完整的測到了下龍口的流速分布資料，也為下龍口的截流施工提供了重要的水力學要素。

4結語

綜上所述，全球定位測驗系統具有測驗歷時短、精度高、定位準確方便、全天候作業的特點，避免了常規法測船定位難度大、測速歷時長等缺點，能夠適應不同環境、不同地點的水文測驗要求，在水利工程施工及水文巡測中均能發揮較好的作用。此系統在三峽工程明渠截流中的成功應用，開拓性地實現了全天候、連續的水文巡測，特別是動態高頻度收集大量實時準確的流速和流量資料，滿足了三峽工程水文泥沙監測范圍廣、要素多、時效急、難度大的要求。

作者簡介

葉德旭（1964.08——），男，重慶綦江人，高工，長江委長江三峽水文局副總工。