黃義輝

（福建省水文水資源勘測(cè)局閩江河口水文實(shí)驗(yàn)站，福建 福州350001）

1 概述

H-ADCP 聲學(xué)多普勒流速剖面儀是一種先進(jìn)在線流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，具有高精度、高分辨率特點(diǎn)，可以使用較小的單元，在較短的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)獲得精確的流速數(shù)據(jù)，對(duì)于較難測(cè)驗(yàn)的低流速和非恒定流也能獲得高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)；具有采用時(shí)間短、流速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，適用于多類河流的流量監(jiān)測(cè)。H-ADCP 的主要測(cè)取測(cè)流斷面特定區(qū)域的指標(biāo)流速，要真正實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)，還需建立指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系。斷面平均流速采用轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式ADCP 等設(shè)備測(cè)定?，F(xiàn)以永泰水文站為例，簡(jiǎn)述H-ADCP 流速關(guān)系的率定方法。

2 測(cè)站概況

永泰水文站建于1950 年10 月28 日，為閩江流域大樟溪水系大樟溪的控制站，地理位置為東經(jīng)118°57′，北緯25°52′，集水面積4034km2，基本斷面至河口距離43km，屬于國(guó)家基本水文站。

其水位變化主要是受上游5km 界竹口電站發(fā)電閘門啟閉的影響以及下游1km 的東風(fēng)電站發(fā)電閘門啟閉的影響。

永泰水文站所在位置河道順直，下游650m 處有一彎道，對(duì)中高水起控制。河床組成為鵝卵石，斷面穩(wěn)定，起點(diǎn)距110 處有一溝槽。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，永泰站水面寬和水深的比值小于100，屬于窄深河道。大樟溪屬于山區(qū)性河流，發(fā)生洪水時(shí)，水面漂浮物多為竹子和木頭。

永泰水文站流量測(cè)驗(yàn)方法主要有：流速儀法、走航ADCP法、浮標(biāo)法、比降- 面積法。由于受下游東風(fēng)電站形成變動(dòng)回水的影響，本站低水水位與流量關(guān)系極不穩(wěn)定。

3 比測(cè)率定方法

本次H-ADCP 率定采用走航ADCP 與流速儀法實(shí)測(cè)斷面平均流速V平均與H-ADCP 測(cè)出斷面的指標(biāo)流速V指標(biāo)進(jìn)行率定分析。為了確保資料一致性和精度，斷面指標(biāo)流速V指標(biāo)的選擇根據(jù)實(shí)測(cè)流量成果的起止時(shí)間選擇接近的數(shù)據(jù)，將10 層數(shù)據(jù)按連續(xù)性原則進(jìn)行組合，例如：1 層、1-2 層、1-3 層、……、1-10層、2 層、2-3 層、2-4 層、……、9-10 層、10 層，共有55 種組合方式，通過對(duì)不同組合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，V指與V斷平均建立關(guān)系。在前期對(duì)10 層數(shù)據(jù)不同組合做大量分析的前提下，最后選定1-10層數(shù)據(jù)組合作為永泰站本次H-ADCP 率定的方法。在流量測(cè)驗(yàn)中，嚴(yán)格執(zhí)行《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL337-2006）；流量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行兩個(gè)測(cè)回?cái)嗝媪髁繙y(cè)量，往返各兩次，取其均值作為實(shí)測(cè)流量值，流量短時(shí)間內(nèi)變化較大時(shí)或特殊情況適當(dāng)減少測(cè)回，以減小方向偏差可能引起的流量誤差，每半測(cè)回流量值與平均值的偏差小于或等于5%認(rèn)為測(cè)驗(yàn)合理。

4 H-ADCP 安裝及參數(shù)設(shè)置

4.1 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)永泰水文站2019 年水道斷面比對(duì)分析計(jì)算，其面積比對(duì)均未超過±3%，水道斷面穩(wěn)定。由此可見永泰水文站測(cè)驗(yàn)河段斷面穩(wěn)定性非常好，已達(dá)到安裝H-ADCP 規(guī)范要求。

4.2 率定斷面流速分布分析

斷面上的流速分布是指流速在斷面上沿水深和橫斷面方向的變化規(guī)律，傳統(tǒng)的流速垂線分布測(cè)量方法采用單點(diǎn)式流速儀逐一對(duì)各條流速垂線上不同深度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，而走航式ADCP 是基于聲學(xué)多普勒原理的多普勒剖面流速測(cè)試技術(shù)，空間采樣密度高，測(cè)速單元較多，測(cè)流時(shí)可以覆蓋全部過水?dāng)嗝?，能夠提供更為精?xì)的全斷面二維流速數(shù)據(jù)。根據(jù)永泰水文站測(cè)站特性及近年傳統(tǒng)流速儀與走航式ADCP 實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行測(cè)流斷面上的垂向、水平層流分布及垂向平均流速的橫向分布分析可知，斷面垂線流速分布基本符合理論流速分布特點(diǎn)。由斷面流速分布特點(diǎn)的斷面有效測(cè)速單元確定可知，率定斷面的流速分布滿足H-ADCP 安裝規(guī)范要求，可為H-ADCP 安裝位置的選擇提供技術(shù)支撐。

4.3 儀器安裝位置選擇和斷面情況

永泰水文站H-ADCP 儀器安裝于纜道測(cè)流斷面，位于基本水尺斷面上游5m，如圖所示。

從近幾年斷面圖分析可知，斷面較穩(wěn)定，情況較理想，沒有突起物等阻擋儀器波束，滿足H-ADCP 安裝工作要求。由于多普勒聲波在受測(cè)范圍不得碰到河底或者水面，所以H-ADCP 正常工作需要一定水深要求。

H-ADCP 正常工作發(fā)出的波束角為1.4°，能提供的縱橫比最大能達(dá)到1：40，即當(dāng)儀器上下水深各有1m 的時(shí)候，聲波打出去的最大有效距離為40m。為了確保在各級(jí)水位上H-ADCP 測(cè)得的數(shù)據(jù)均有代表性，應(yīng)該將H-ADCP 安裝在最低水位以下1m 左右的地方。

根據(jù)近幾年永泰水文站水位變幅情況以及結(jié)合測(cè)驗(yàn)斷面實(shí)際情況，經(jīng)過多次技術(shù)探討分析后，最后決定將H-ADCP 儀器安裝在新建護(hù)岸預(yù)設(shè)的槽內(nèi)。儀器安裝高程29.00m，基本可測(cè)到主流，所測(cè)到指標(biāo)流速具有一定代表性。

5 率定分析

5.1 率定期間的水文情勢(shì)

本次率定分析的時(shí)間段為2019 年1 月1 日至2019 年12月31 日，率定期間內(nèi)水位未出現(xiàn)暴漲暴落的情況，水位變幅較較平穩(wěn)。率定期間實(shí)測(cè)流量變幅為2.30～1530m3/s，實(shí)測(cè)流速變幅在0.007～1.62m/s，實(shí)測(cè)水位變幅為28.70～32.56m（羅零基面），屬于中低水位級(jí)。

5.2 各項(xiàng)率定資料收集情況

本次H-ADCP 率定資料選取的時(shí)間段為2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日期間實(shí)測(cè)流量成果與H-ADCP 同步測(cè)得流量原始成果。根據(jù)本年度實(shí)測(cè)流量情況，通過層層比對(duì)篩選，最后選用45 組同期實(shí)測(cè)流量、水位及H-ADCP 測(cè)驗(yàn)指標(biāo)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.3 比測(cè)分析

水位以人工觀測(cè)水位記錄為準(zhǔn)，與固態(tài)測(cè)得水位進(jìn)行比對(duì)分析。結(jié)果表明，固態(tài)水位測(cè)驗(yàn)較為穩(wěn)定和準(zhǔn)確，對(duì)比水位差值?Z 均在±2cm 內(nèi)。其中，差值ΔZ=0 的有420 份，ΔZ＜0 的有270份，ΔZ＞0 的有195 份。故進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)采用固態(tài)測(cè)得水位資料滿足規(guī)范要求。

（1）指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系的建立和關(guān)系曲線檢驗(yàn)。將10 層數(shù)據(jù)按連續(xù)性原則進(jìn)行組合，通過對(duì)不同組合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將指標(biāo)流速與斷面平均流速建立關(guān)系，本次分析采用電腦Excel 進(jìn)行一元三次線性回歸誤差分析。

根據(jù)規(guī)范要求采用新的定線推流方法，經(jīng)對(duì)以往資料的檢驗(yàn)，不同方法計(jì)算的徑流量誤差不超過±3%者，可作為整編方法使用。對(duì)R2≥0.9990 的6 種組合計(jì)算徑流量，計(jì)算時(shí)間為2019 年1 月至2019 年12 月。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，第1-10 層組合的成果最好，逐日平均流量表也更接近落差法定線成果，詳見逐日平均流量對(duì)照表。對(duì)指標(biāo)流速與斷面平均流速進(jìn)行適線檢驗(yàn)，適線相關(guān)性良好，因此指標(biāo)流速通過關(guān)系式計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)可較好代表斷面平均流速。因此指標(biāo)流速組合方式確定為第1-10 層，關(guān)系式為：

y=0.3943x3-0.5821x2+1.4187x+0.0079

相關(guān)系數(shù)為R2=0.9992

采用以上關(guān)系式對(duì)2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的指標(biāo)流速進(jìn)行修正，計(jì)算斷面流量并點(diǎn)繪逐日過程線，與逐日水位過程線進(jìn)行對(duì)照，變化過程基本一致。因受到回水影響，流速小于0.10m3/s 的指標(biāo)流速不參與三種檢驗(yàn)。

將H-ADCP 所測(cè)得指標(biāo)流速V指代入上述關(guān)系式，計(jì)算得到H-ADCP 線上斷面流速，將實(shí)測(cè)斷面流速與線上斷面流速進(jìn)行Z～V 關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算，得出標(biāo)準(zhǔn)差Se（%）=3.4，隨機(jī)不確定度為6.8%，系統(tǒng)誤差為-0.1%，符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)以及偏離檢驗(yàn)均符合《水文資料整編規(guī)范》SL247-2012 規(guī)范要求。

（2）日平均流量精度對(duì)比分析

根據(jù)永泰水文站往年臨時(shí)曲線法推算的日、月平均流量與H-ADCP 后處理軟件推算的相應(yīng)平均流量進(jìn)行對(duì)比分析。統(tǒng)計(jì)計(jì)算了6 個(gè)月的日平均流量對(duì)比分析顯示：日平均流量相差較小，定線推流誤差小，日平均流量計(jì)算誤差滿足規(guī)范要求。

（3）流量過程線合理性分析

選取2019 年2 場(chǎng)洪水摘錄情況繪制兩條流量過程線對(duì)比，兩條流量過程線吻合程度較高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差≤±5%的合格率為85%，相對(duì)誤差≤±10%的合格率為100%。

（4）水量對(duì)照分析

2019 年永泰水文站沒有發(fā)生大洪水，年最高水位為32.56m，H-ADCP 測(cè)得最大流量為1650m3/s，實(shí)測(cè)最大流量為1530m3/s，年平均流量為92.5m3/s，年徑流量為29.16×108，與人工自計(jì)紙對(duì)比分析可知，永泰水文站河段水量基本吻合，滿足規(guī)范規(guī)定要求。

6 結(jié)論

H-ADCP 測(cè)流系統(tǒng)是一種先進(jìn)的測(cè)流設(shè)備，它具有安裝簡(jiǎn)便，日常運(yùn)行成本低，維護(hù)少，快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)不同水流，特別是受水利工程嚴(yán)重影響的河流，H-ADCP 系統(tǒng)的投入應(yīng)用，將解決流量測(cè)驗(yàn)的難題；在各個(gè)流速級(jí)別，瞬時(shí)指標(biāo)流速∽斷面平均流速關(guān)系通過各項(xiàng)檢驗(yàn)，精度高，測(cè)驗(yàn)成果令人滿意。H-ADCP 的投入使用，將大大減輕永泰水文站測(cè)驗(yàn)的工作量，直接利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編，更是減少了資料二次輸入帶來的錯(cuò)誤，提高整編質(zhì)量和工作效率。該儀器將為閩江流域大樟溪水系的水文預(yù)報(bào)和測(cè)驗(yàn)工作提供更為有效的技術(shù)手段，對(duì)加快福建水文現(xiàn)代化建設(shè)有著重要意義。

根據(jù)永泰水文站中低水時(shí)H-ADCP 測(cè)驗(yàn)水位的比測(cè)分析和指標(biāo)流速的率定、誤差分析及評(píng)價(jià)認(rèn)為，可以應(yīng)用H-ADCP進(jìn)行中低水的水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。