(上海市青浦區(qū)水文勘測隊，上海 201799)

1 問題的提出

河流流量測驗的基本原理是通過測驗斷面平均流速和斷面面積，二者相乘得到測驗時刻的斷面瞬時流量。傳統(tǒng)的測驗方法一般是在測流斷面上布設多條垂線，測量每條垂線處水深并用流速儀測量一至幾個點的流速從而得到垂線平均流速，進而得到斷面面積和斷面平均流速。傳統(tǒng)的流量測驗首先需要施測全斷面，再布置測深測速垂線，然后在全斷面各測深測速垂線上施測各測點流速，最后計算出斷面流量。傳統(tǒng)方法需要人工記數(shù)與計算，測流準備工作繁瑣，耗費人力資源量大，測流速度慢，效率低。

隨著最嚴格水資源管理制度的實施，為適應水利發(fā)展需要，水文工作中對流量測驗的精度、效率和自動化、信息化要求也越來越高，傳統(tǒng)測流手段難以滿足生產(chǎn)實際要求。隨著科技的發(fā)展進步，新的測驗方式、測驗手段以及測驗儀器逐步應用于水文測驗中，并取得了良好的效果。ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)即聲學多普勒流速剖面儀在流量測驗中得到日益廣泛的應用[1-6]，大大提高了流速測量的空間和時間分辨率，測量剖面深度范圍大，對高含沙量河流適用性較好，操作方便省力，能有效消除各種外界因素的影響。

采用ADCP開展自動流量測驗，一般有水平式和垂直式兩種安裝方式。水平式ADCP通常安裝在河流一側水下合適的位置，通過測量代表水深的平均流速，再通過河道斷面面積計算出流量[7-8]；垂直式ADCP理論上應安裝在河流中泓位置，通過代表垂線流速與斷面平均流速的關系間接計算出斷面流量。不論是水平式還是垂直式，都需要開展流量率定。不過，垂直式ADCP需要放置在河流中泓，不易架設，同時受航運等因素的影響，安裝難度較大，而通常以水平式ADCP為最主要的自動監(jiān)測方式[9-12]。

本文利用上海市青浦區(qū)泖甸水文站比測成果，通過建立水平方向代表流速與全斷面平均流速間的相關關系，分析水平式ADCP流量自動監(jiān)測成果的準確性和可靠性。

2 測站及比測概況

2.1 測站

泖甸水文站是黃浦江上游攔路港河流的一個控制性水文站，負責上游淀山湖下泄的水量、水質監(jiān)測。泖甸水文站在東泖河和西泖河分叉口上游500 m處攔路港的河南岸(圖1)，所在監(jiān)測斷面寬約140 m，河底高程約-5.6 m，底寬約70 m。攔路港是黃浦江上游的一條弱感潮河流，1d之內水位會隨著黃浦江下游潮漲潮落而出現(xiàn)一定幅度的變化，潮差約0.5 m，泖甸水文站所在的過水斷面面積也因潮汐漲落而發(fā)生一定變化。受潮汐的影響，攔路港水流呈現(xiàn)往復流特征，在大潮期間尤為明顯。

泖甸水文站于2014年11月份安裝了一臺TRDI公司600kHz的CM600水平式ADCP。該儀器運行至今，穩(wěn)定可靠，無異常數(shù)據(jù)的情況。

圖1 泖甸水文站位置示意

2.2 比測

為實現(xiàn)泖甸水文站ADCP流量測驗的業(yè)務化、自動化，需要開展該站水平式ADCP的比測試驗工作，通過尋求水平方向代表流速與全斷面平均流速間的相關關系，建立該站自動流量測驗的計算公式，實現(xiàn)自動流量測驗的目標。

分大、中、小潮3個時期分別開展現(xiàn)場比測。其中，小潮期為2016年8月13～14日(農歷七月十一至十二)，中潮期為2016年8月7～8日(農歷七月初五至初六)，大潮期為2016年8月20～21日(農歷七月十八至十九)。比測期間采用寬帶及相控陣ADCP進行全斷面走航流量測驗，走航式ADCP型號為TRDI公司的瑞智1 200 kHz。采用三體船安裝，借助測船拖曳ADCP實施測驗。

比測開始前，各相關設備借助GPS進行標準授時校準，相互間偏差小于5 s，與水位觀測儀器時鐘的偏差小于10 s；走航測船、ADCP三體船及纜道等無磁性，當環(huán)境有磁干擾影響ADCP內置磁羅經(jīng)準確度時，采用校準后的外接GPS羅經(jīng)代替ADCP磁羅經(jīng)；走航式ADCP采用連續(xù)走航、連貫觀測的方式，一般情況下走航測船船速與流速基本保持一致。當斷面流速較小、變率較大時，船速可適當大于流速，但應維持均勻穩(wěn)定。盡量縮短一次全斷面走航測次的總歷時，以保證測次施測歷時內水位漲落變化不大于平均水深的5%，連續(xù)2個測次的潮流量變率不超過5%，從而減少非穩(wěn)定流對測次代表性的影響。比測時ADCP加載GPS信標，記錄走航測次的實際航跡線，計算并設置測驗斷面當時當?shù)氐拇牌?，GPS輸出數(shù)據(jù)時設置相應的數(shù)據(jù)質量輸出閥值，依據(jù)GPS計算走航測次的起始及結束岸邊距。

在運用走航式ADCP進行全斷面流量測驗的同時，水平式ADCP實時在線監(jiān)測，獲取同步系列數(shù)據(jù)。比測時水平式ADCP借助GPS進行標準授時校準，相互間偏差小于5 s，與水位觀測儀器時鐘偏差小于10 s；比測時避免全斷面流量施測與代表流速施測相互干擾，如果二者的聲波相互侵占，則適當錯開兩斷面；水平式ADCP以其觀測歷時的開始時刻作為測次時刻，將走航測次歷時對應的水平式ADCP實測流速，借助3次樣條方法插值后取平均代表流速與走航測次相對應；水平式ADCP的采樣時間間隔300 s，采樣平均時段90 s。

3 相關關系及顯著性檢驗

ADCP流量測驗仍然存在誤差控制和可靠性檢驗的問題[13]。為了簡化分析，筆者假定通過一定的技術手段和誤差控制方法，使走航式ADCP測得的斷面平均流速是準確可靠的[14-16]。在此前提下，才能建立水平方向代表流速與全斷面平均流速之間的相關關系，否則由于誤差的傳遞，這種相關關系就沒有太大意義。因此，在建立相關關系時，首先要摘錄獲取全部走航測次對應的代表流速與斷面平均流速定線數(shù)據(jù)組；其次，通過常用的關系曲線分別進行回歸分析，通過各關系曲線的相關系數(shù)大小初步確定二者可能存在的相關關系；之后以隨機不確定度評估定線關系精度；最后對關系曲線進行符號檢驗、適線檢驗及偏離數(shù)值檢驗并進行比選，從而選出最優(yōu)的回歸關系。

在判定相關關系即定線關系的精度時，要求隨機不確定度χe越小越好，且不得大于15%。在檢驗實測點偏離回歸曲線的偏離程度時，要求符號統(tǒng)計量μ的絕對值不超過 1.15，否則認為實測點太散，偏離回歸曲線明顯。適線檢驗方面，要求適線檢驗統(tǒng)計量絕對值小于1.28，否則認為適線性較差。偏離數(shù)值檢驗方面，要求偏離統(tǒng)計量t的絕對值小于1.96，否則認為測點偏離回歸關系曲線太遠，回歸關系難以接受。

3.1 斷面平均流速與水平方向代表流速相關關系

為分析攔路港潮汐強度的變化對泖甸水文站斷面平均流速和水平方向代表流速相關性可能造成的影響，筆者按照小、中、大潮3種情況分別分析二者的相關關系及顯著性?？梢钥闯?，用走航式ADCP測得的斷面平均流速與用水平式ADCP測得的水平方向代表流速，呈現(xiàn)出以下幾個特點：①變化過程非常一致，具有高度的擬合性；②顯著的線性相關性，且受小、中、大潮等潮汐強度的影響很??；③漲急期水平方向代表流速要小于斷面平均流速，這種差距在小潮期不太明顯，最大差值僅 0.089 m/s，但在中潮和大潮期較明顯，最大可達 0.164 m/s。

通過對斷面平均流速與水平方向代表流速進行線性回歸統(tǒng)計分析可以看出，不論是小潮、中潮還是大潮，二者都具有非常良好的線性相關關系，相關系數(shù)R幾乎接近于1，且受潮汐強度的影響很小。

3.2 顯著性檢驗

3.2.1 檢驗方法

檢驗回歸關系的顯著性通常有4種方法：隨機不確定度檢驗、符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗。

(1) 隨機不確定度檢驗。通過計算關系點對關系線的標準差評估定線關系的精度，要求隨機不確定度不大于15%。計算公式如下：

(1)

式中，Se為實測系列標準差；χe為隨機不確定度；n為測點總數(shù)；Vi為第i次實測斷面平均流速，m/s；Vci為第i次回歸斷面平均流速，m/s。

(2) 符號檢驗。為了檢驗測點偏離回歸曲線的明顯程度，通過統(tǒng)計測點偏離曲線的正、負號個數(shù)，對零值作正、負號各取半，計算統(tǒng)計量。計算公式如下：

(2)

式中，μ為統(tǒng)計量，k為正號個數(shù)。

符號檢驗要求顯著性水平α=0.25，臨界值μ1-α/2=1.15。如若統(tǒng)計量|μ|<μ1-α/2，檢驗通過，接收原假設，否則拒絕檢驗。

(3)適線檢驗。對關系線進行適線檢驗，將測點值由低到高排列，從第二點起統(tǒng)計其對前一個點的正負號變換次數(shù)，計算統(tǒng)計量：

(3)

當k<0.5(n-1)時，作該檢驗，否則不作檢驗。在此前提下，規(guī)定顯著性水平α=0.10，臨界值μ1-α=1.28。若統(tǒng)計量|μ|<μ1-α，接收檢驗，否則拒絕檢驗。

(4)偏離數(shù)值檢驗。計算測點與關系線的平均相對偏離值標準差。計算公式如下：

(4)

偏離數(shù)值檢驗要求顯著性水平α=0.05，臨界值t1-α/2=1.96(自由度k=n-1>60)。若統(tǒng)計量|t|

3.2.2 檢驗結果

從對泖甸水文站小、中、大潮3個測驗時段的實測數(shù)據(jù)進行的回歸分析顯著性檢驗來看，3個時段的隨機不確定度、符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗結果均在可接受范圍之內。這說明，用該站水平式ADCP測得的水平方向代表流速和走航式ADCP測得的斷面平均流速，二者具有顯著的線性回歸關系，測驗誤差在可接受的范圍之內。

因此，利用水平式ADCP測驗水平方向代表流速，并通過這種線性回歸關系可間接得到該站測驗斷面的平均流速，并利用水位斷面面積關系，可得到該站的斷面流量，從而實現(xiàn)泖甸水文站流量的自動化、常態(tài)化連續(xù)觀測。

3.3 定線關系

上述測驗結果表明，泖甸水文站水平式ADCP流速與斷面平均流速具有非常良好的線性相關關系。通過這種相關關系，可以利用水平式ADCP測驗得到的水平方向代表流速，來獲得斷面平均流速和流量。

攔路港作為感潮河流，斷面平均流速與水平方向代表流速的相關關系式，即定線關系，一般有兩種形式，一種是按照漲潮、落潮和漲落潮全潮等不同的潮流期來定線，另一種是按照小、中、大潮等不同的潮汐強度來定線。二者之間存在一定差別，具體如表2和表3所示。實際應用中可根據(jù)工作的便利選擇使用。

表1 相關關系檢驗結果

表2 不同潮流期定線關系

表3 小、中、大潮期定線關系

注：Vi表示水平方向代表流速，Vm表示斷面平均流速。

4 結 語

隨著聲學多普勒流速測驗技術的不斷發(fā)展和完善，走航式ADCP一般能夠得到較為準確的斷面平均流速和斷面流量。但走航式ADCP最大的缺陷在于每次測驗過程都需要過多人工操作和干預，無法實現(xiàn)測驗過程的自動化和連續(xù)性。水平式ADCP通常安裝在河流一側岸邊，完全可實現(xiàn)在線監(jiān)測，在自動化和連續(xù)觀測方面要明顯優(yōu)于走航式ADCP。但水平式ADCP監(jiān)測的斷面流速的代表性和準確性方面受測驗斷面條件(斷面寬度、水流特性等)的影響較大，其適用范圍受限。

通過統(tǒng)計分析水平式ADCP與走航式ADCP同步測驗結果的相關性，發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的線性關系。通過這種關系可利用水平式ADCP測驗成果間接得到測驗斷面的斷面平均流速和斷面流量，將水平式ADCP與走航式ADCP相結合，最終實現(xiàn)河流流量的自動、連續(xù)、常態(tài)化觀測。

上海屬于平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河流的水文情勢容易受其他因素影響，水平式ADCP測得的水平方向代表流速與走航式ADCP測得的斷面平均流速之間的相關關系并非固定不變。為了得到更可靠的流量測驗成果，宜每隔1 a左右重新定線。

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