周文靜，郭 藝，蔣四維

（長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局,湖北 襄陽 441021）

1 H-ADCP工作原理

H-ADCP在線流量推算原理是基于H-ADCP采集的若干單元代表流速與流速儀法或走航式ADCP施測計算的斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系,通過H-ADCP的代表流速平滑計算出斷面平均流速,再以斷面平均流速與相應(yīng)過水?dāng)嗝婷娣e相乘推求出斷面流量,這種方法稱為代表流速面積法,也稱為相關(guān)分析法或回歸法?；驹硎牵?/p>

斷面流量等于斷面面積乘以斷面平均流速,即：

斷面面積通?？杀硎緸樗坏暮瘮?shù),即：

斷面平均流速可表示為某一代表流速的函數(shù),即：

式中：Q為斷面流量,m3/s；A為斷面面積,m2；V為斷面平均流速,m/s；Z為水位或水深,m；Vx為代表流速,m/s。

代表流速法關(guān)系建立后,從H-ADCP在線流速監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取代表流速,即可根據(jù)線性或非線性相關(guān)關(guān)系推求斷面流量,實現(xiàn)流量在線監(jiān)測。系統(tǒng)界面見圖1。

圖1 H-ADCP報汛自動處理系統(tǒng)界面

2 黃龍灘水情特性

黃龍灘水文站為長江流域漢江中游堵河基本控制站?；舅邤嗝嫔嫌渭s3.4 km建有黃龍灘水電站,約3.1 km有大、小峽從左岸入?yún)R；下游約0.5 km有犟河從右岸入?yún)R。本站受黃龍灘電站發(fā)電、泄洪和上、下游入?yún)R河流以及丹江口水庫回水等多重影響。

本站所處的堵河流域位于鄂西北漢江右岸,地跨陜西、湖北兩省,流域呈樹枝狀,整個流域處于山區(qū)丘陵地帶,植被狀況良好。堵河是漢江中游段的最大支流,主河道長354 km,平均坡降4.81%,流域面積12430 km2。水文站位置見圖2。

圖2 黃龍灘水文站位置示意圖

流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū),氣候溫和濕潤,多年平均降水量800 mm,水量較豐沛；但年內(nèi)分配不均,5 月～10月徑流量占全年70%左右,年際變化較大。流域洪水由暴雨形成。

測驗河段順直長約800 m,右岸為土質(zhì),左岸系石砌公路路基,岸邊有亂石。河床由卵石夾沙組成,沖淤不大。上游3.4 km有黃龍灘水庫（電站）；3.1 km有大、小峽自左岸匯入,本地區(qū)降暴雨時,有山洪暴發(fā),是本站年最大含沙量的來源；上游0.9 km有襄渝鐵路大橋。下游0.5 km有犟河自右岸入?yún)R,該河漲水時,對本站低水有明顯頂托影響；下游0.8 km有公路橋橫跨在有270 度轉(zhuǎn)角的彎道頂點。

在測流斷面下游約200 m處有一沙灘,當(dāng)水位在160 m以上全部淹沒,在該水位以下則水流被分為兩股。水位在159.50 m以下時,水流由左槽出流,河槽呈V型,河底呈倒坡。

當(dāng)本站不受丹江口水庫變動回水影響時,測驗河段各級水位流量關(guān)系控制良好；當(dāng)?shù)そ谒畮煨钏?59.50 m以上時測驗河段受回水頂托影響。

3 代表流速的率定

H-ADCP整編推流流程見圖3。

圖3 H-ADCP整編推流流程圖

受南水北調(diào)丹江大壩蓄水影響,2017 年9 月以后本站處于變動回水區(qū),原有測站特性發(fā)生變化,水位流量關(guān)系復(fù)雜,因此開展本實驗,以探索H-ADCP在本站復(fù)雜水流特性下作為一種流量測驗基本方法的可行性,實現(xiàn)本站流量的實時監(jiān)測,完整控制流量變化過程,提高水文監(jiān)測的技術(shù)水平,推進水文現(xiàn)代化的進程。

黃龍灘水文站回水頂托期間,在收集代表流速采集樣本的同時,采用RS-M9 走航式ADCP進行流速流量測驗,每次測驗時共施測2 測回（4 次）,平均歷時一般在20 min以內(nèi)；水位漲落急劇變化時采用1 個測回（2次）。通過RiverSvrveyor Live軟件計算在GGA或BT模式下的實測流量、斷面面積和斷面平均流速。根據(jù)測得流量和過水?dāng)嗝婷娣e求得斷面平均流速,從而建立代表流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系。見圖4～圖6。

圖4 H-ADCP安裝位置示意圖

圖5 走航式ADCP流速分布

圖6 走航式ADCP航跡

2019 年8 月,丹江口水庫庫區(qū)水位不斷上漲,黃龍灘水文站受回水頂托影響,原本的臨時曲線法無法滿足日平均流量和各項特征值統(tǒng)計的推求。從8月13日至8月26日,共施測流量13次,水位級覆蓋范圍160.56 m～162.30 m,基本完整收集到黃龍灘水文站受回水頂托影響逐漸增強的過程。通過對H-ADCP收集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析,發(fā)現(xiàn)在距離安裝H-ADCP的 19 m處旁瓣波束觸底,回波強度增大,另庫區(qū)水位不斷上漲,綜合考慮黃龍灘水文站自身水位陡漲陡落特性,代表流速在單元格3-7內(nèi)較為穩(wěn)定。固選定3-7單元格內(nèi)代表流速與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。見圖7～圖9。

圖7 黃龍灘水文站與庫區(qū)水位過程對照

圖8 H-ADCP回波強度

圖9 H-ADCP代表流速棒

共建立一元一次,一元二次,一元三次多項式組及節(jié)點法四種關(guān)系推求流量。其中一元一次,一元二次,一元三次多項式組采用EXCEL自帶插入散點圖生成趨勢線功能進行率定,而結(jié)點法則采用水文資料整編系統(tǒng)HDP5.0 進行率定生成。水文資料整編系統(tǒng)HDP5.0 繪線功能見圖10。黃龍灘回水頂托實測流量成果見表1。

圖10 水文資料整編系統(tǒng)HDP5.0繪線功能

表1 黃龍灘回水頂托實測流量成果表

4 誤差分析

多項式法代表流速關(guān)系見圖11,節(jié)點法代表流速關(guān)系見圖12。

圖11 多項式法代表流速關(guān)系圖

圖12 結(jié)點法代表流速關(guān)系圖（圖中橫坐標(biāo)為斷面平均流速，縱坐標(biāo)為代表流速）

多項式公式見表2,推流方法三性檢驗及誤差統(tǒng)計見表3,多項式法與結(jié)點法綜合對照見圖13。

表2 多項式公式

表3 推流方法三性檢驗及誤差統(tǒng)計

圖13 多項式法與結(jié)點法綜合對照

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）和《水文測驗補充技術(shù)規(guī)定》,符號檢驗時α取0.25, 應(yīng)小于；適線檢驗時α取0.05,應(yīng)小于1-α=1.64；偏離檢驗時t取0.10,|t|應(yīng)小于。由上述統(tǒng)計結(jié)果可知,四種方式均符合三性檢驗。

由于一元一次多項式為直線,所以流速相關(guān)關(guān)系局部離散較大,一元二次和一元三次多項式在參數(shù)變多的情況下相關(guān)系數(shù)依次遞增,而結(jié)點法標(biāo)準(zhǔn)差和隨機不確定度最小。雖然多項式法也有較好的相關(guān)關(guān)系,但在處理小流速延長時,受多項式法功能限制,不能很好處理小流速部分代表流速過程,在實際應(yīng)用中影響了小流速流量過程的推求。而結(jié)點法由于HDP5.0 強大的繪線結(jié)點修改功能,可以靈活修改處理小流速部分代表流速曲線,使小流速部分推流情況更加符合實際流速過程,從而推求的流量過程與實際過程相符。所以選用結(jié)點法進行流量推求時誤差最小。

如圖14與圖15所示,結(jié)點法在推求小流速過程上明顯更符合測站水情。

圖14 多項式法小流速過程

圖15 結(jié)點法小流速過程

5 結(jié)論

由于EXCEL并非專門水文整編計算工具,在進行三性檢驗,推求流量以及對代表流速和斷面平均流速相關(guān)關(guān)系進行局部微調(diào)時存在計算量大、操作繁瑣等諸多不便之處,對于曲線的上下延長趨勢難以人為干預(yù),無法適應(yīng)復(fù)雜條件下的代表流速和斷面平均流速相關(guān)關(guān)系建立,可能造成推流過程局部失真。而結(jié)點法可以很好的解決這一局限性。推流過程與實際情況更加相符,而且和目前使用水文資料整編系統(tǒng)HDP5.0 程序?qū)臃奖?從而方便快捷地應(yīng)對受水利工程影響條件下流量過程的推求。