摘要：GPS导航定位系统、ADCP测验系统及数据处理远传系统组成全球定位测验系统，开拓性地实现了全天候、快速、多断面连续的动态水文巡测，满足了三峡工程明渠截流水文监测范围广、要素多、时效急、难度大的要求，对分流比、戗堤头流速、龙口流速等水文要素做到了随时测验，实时发布。
关键词：明渠截流 水文监测 全球定位测验系统 应用
1 前言
在1997年大江截流中，ADCP、GPS 等先进的仪器设备已经开始应用于截流水文监测工作中，并取得了良好的测验成果。为大江截流顺利完成提供了大量准确可靠的水文数据。三峡工程导流明渠截流，其截流落差、流量、及强度等指标均远高于大江截流，对截流期水文监测也就提出了更高的要求，在分流比、戗堤头流速、加糙区流速、龙口流速等水文要素测验上，不仅要求测验数据准确，而且要求随截流施工进占随时提供各项实时水文信息。为此，我们建立了全球定位测验系统，利用此系统实现了全天候、快速多断面的动态巡测，满足了截流施工决策对实时水文信息的需求。
2 全球定位测验系统
2.1系统组成
全球定位测验系统由DGPS导航定位系统、ADCP测验系统及数据处理远传系统组成。其工作原理为利用DGPS实时差分模式准确测定测船及测线位置，配以
图1 全球定位测验系统框图
ADCP走航方式测验断面流量或定点方式测定垂线流速。实现了全天候作业，也克服了传统定位系统不准确，易受天气影响和测验历时长的缺点。
2.2 DGPS导航定位系统
GPS定位具有精度高、速度快、全天候、距离远等特点，满足截流水文监测对导航定位的要求。导航定位系统由GPS基准台、GPS流动台、计算机、电台、显示器、电池及导航等组成。
明渠截流水文监测区域集中在导流明渠及导流底坝段水域。GPS基准台架设在导流明渠附近的三斗坪水位站，保证基准台信号覆盖整个截流河段。流动台安装于水文监测船上，使用HYPACK导航定位软件将整个截流施工水域形象、分流比断面、戗堤头流速测验位置、龙口流速断面等用技术做成数字导航图。水文监测时，根据监测项目使用DGPS导航系统可准确到达监测部位，完成监测任务。
2.3 ADCP测验系统
ADCP （声学多普勒流速剖面仪）是利用声学多普勒效应的基本原理，用声学换能器作传感器，将探头置于水面下一定深度处，测验水文要素，具有测验历时短、测速范围大、不扰动流场等特点。
ADCP的测流原理：该仪器通过按一定规则排列的四个声波换能器，其探头向水体中发射脉冲声波，然后接收来自水体中挟载的浮游生物、泥沙小颗粒等反射体的反射信号，依据反射信号的多普勒频移计算水相对于ADCP的运动速度矢量；利用测底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量，取两者矢量差值就是要测量的流速矢量。用航行速度乘以时间可计算出水面宽。有了水深、水面宽和流速，即可计算流量。
其流速测验原理如下式：
式中： V——径向速度（mm/s）；
FD——多普勒频移（NZ）；
FS——ADCP声波频率（KHZ）；
C ——声速（m/s）。
其流量测验原理如下式：
式中： Q——流量；
n——L点法向单位矢量，L为横渡河流路径上任意一点；
u——流量矢量；
z——水深，积分取水面至水底和此岸至彼岸。
ADCP测验系统由ADCP、计算机、WinRiver软件组成。三峡河段及明渠截流水文监测区域水深流急，一般采用DR300型BBADCP和WH300型WHADCP进行流速流量测验。两款仪器主要性能指标见表1。
表1 ADCP主要测量技术指标
型 号 | 频 率 (KHZ) | 测量范围 |
测 速 (m/s) | 测 深 (m) |
DR300 | 300 | ＜10 | ＜120 |
WH300 | 300 | ＜10 | ＜200 |
2.4 数据处理远传系统
数据处理远传系统由数据处理计算机、数传电台、数据处理软件及专用数传软件等组成。数据处理计算机与ADCP测验控制计算机用网线联接组成局域网，便于测验数据的传输及共享。
测验断面流量时，可以直接得到流量成果，对流量成果进行合理性检查后即可。而测验垂线流速时，将ADCP测验数据导入数据处理计算机，用WinRivre软件和专用数据计算程序处理为沿垂线水深分布的流速图表。经处理的流速、流量和分流比的资料使用无线数传电台（35W的Pacific Crest电台， RADIOTRANS数传软件）传送到水文气象数据处理中心。水文气象数据中心再进行综合性检查确认后，对外公布最后成果。
3 全球定位测验系统在明渠截流水文监测中的应用
3.1测验项目及布置情况
在明渠截流水文监测中，全球定位测验系统主要用于分流比、龙口流速分布、流场和戗堤头流速分布等项目的测验工作。共截流河段布置有3条分流比断面、2条龙口流量断面、10条流速断面和16条流速垂线。见图2。
图2 三峡工程明渠截流水文监测断面布置图
3.2分流比测验
2002年09月15日，大坝导流底孔开始泄流，分流比测验随即开始进行。全球定位测验系统安装在风云二号测轮上，根据GPS导航图的指引，使用ADCP走航式巡测Q01、Q02、Q03断面流量，测轮以较慢的航速往返测验每断面流量，横渡时尽量保持在规定断面线上，以取得较好的测验精度，取往返流量的平均值作为断面流量。由于3条断面之间相距不超过2km，一次测验历时基本可控制在30min以内，保证了资料的可比性和分流比的精度。测验完成后，随即将测验成果用数传电台发送到水文气象数据处理中心上网发布。选择的Q01、Q02、Q03断面规则，河床稳定，水流条件较好，受截流施工影响很小，测得的流量精度高，准确的反映了导流底孔分流比的变化情况。
在截流施工的前期，一般每天测验两次。进入高强度的龙口进占期后，测验频度逐渐增加，由每3h一次增加到1h一次，在合拢期达到每30min一次。使用全球定位测验系统，无论是白天还是晚上、天晴还是下雨，测验均能准时、准确的进行，满足了截流施工对分流比变化实时了解的需求。施工管理决策部分利用及时、准确的水文信息，有效的控制和调整施工进度，保证了截流工程顺利进行和实现长江不断航，其经济效益和社会效益巨大。
3.3流速分布测验
截流戗堤头及龙口布置的流速分布断面、流速垂线因戗堤的不断进占而相对移动，因而需准确测定流速分布断面、流速垂线位置展开水文监测。一般使用河道监测的截流戗堤的最新形象，制定标定有流速断面、流速垂线的导航图，使用DGPS导航系统导引测船到达监测部位，启用ADCP测验流速，并记录断面、垂线坐标。监测数据经数据处理软件处理后形成断面流速、垂线流速图表数据，经过现场合格检查后，数传至水文气象数据处理中心上网发布。每条垂线流速从测验到发布只需几分钟，真正做到了实时测验、实时发布。在戗堤头流速分布测验中，测船需要靠近戗堤头，戗堤头处落差大，水流形成跌水，泡漩多，急流区与缓流区交错，过渡带很窄，截流用大块石和四面体不断的翻滚下来，测船在此区域测验操作极为困难，为了测船安全及操作方便，将ADCP改装到船头，使得船长能够方便的控制测船以实现准确定位。实际测验过程中，测船沿戗堤头下游流速较大的水域迎水上行，到达测验位置后相对稳定测船实施项目测验，这种测验方式成功用于下龙口流速分布测验。
3.4下龙口流速分布测验
当下龙口宽缩窄至60m后，风云二号轮载ADCP安装在船头的全球定位测验系统进入下龙口进行最大流速搜索测验工作。测船从下龙口下游中泓沿主流逆水而上，并在下龙口截流戗堤轴线下100m处开始采用动船定位法测验垂线流速分布，测船每上行20m测验一线，直至轴线，测验完成后，保持测船船头向上游的方向，减小动力，使测船沿水流方向慢慢退回到安全水域，完成一个测次的最大流速搜索测验工作。在下一个测验时间再用此法进行，直至测船不能进入下龙口为止，较完整的测到了下龙口的流速分布资料，也为下龙口的截流施工提供了重要的水力学要素。
4 结语
综上所述，全球定位测验系统具有测验历时短、精度高、定位准确方便、全天候作业的特点，避免了常规法测船定位难度大、测速历时长等缺点，能够适应不同环境、不同地点的水文测验要求，在工程施工及水文巡测中均能发挥较好的作用。此系统在三峡工程明渠截流中的成功应用，开拓性地实现了全天候、连续的水文巡测，特别是动态高频度收集大量实时准确的流速和流量资料，满足了三峡工程水文泥沙监测范围广、要素多、时效急、难度大的要求。
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