福建省永泰水文站H- ADCP 比測率定分析

黃義輝

（福建省水文水資源勘測局閩江河口水文實驗站，福建 福州350001）

1 概述

H-ADCP 聲學多普勒流速剖面儀是一種先進在線流量監(jiān)測設備，具有高精度、高分辨率特點，可以使用較小的單元，在較短的時間步長內獲得精確的流速數(shù)據(jù)，對于較難測驗的低流速和非恒定流也能獲得高質量的測量數(shù)據(jù)；具有采用時間短、流速準確的特點，適用于多類河流的流量監(jiān)測。H-ADCP 的主要測取測流斷面特定區(qū)域的指標流速，要真正實現(xiàn)流量在線監(jiān)測，還需建立指標流速與斷面平均流速的關系。斷面平均流速采用轉子式流速儀、走航式ADCP 等設備測定?，F(xiàn)以永泰水文站為例，簡述H-ADCP 流速關系的率定方法。

2 測站概況

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，對中高水起控制。河床組成為鵝卵石，斷面穩(wěn)定，起點距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，水面漂浮物多為竹子和木頭。

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

3 比測率定方法

本次H-ADCP 率定采用走航ADCP 與流速儀法實測斷面平均流速V平均與H-ADCP 測出斷面的指標流速V指標進行率定分析。為了確保資料一致性和精度，斷面指標流速V指標的選擇根據(jù)實測流量成果的起止時間選擇接近的數(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，通過對不同組合數(shù)據(jù)進行分析，V指與V斷平均建立關系。在前期對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。在流量測驗中，嚴格執(zhí)行《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》（SL337-2006）；流量相對穩(wěn)定時，進行兩個測回斷面流量測量，往返各兩次，取其均值作為實測流量值，流量短時間內變化較大時或特殊情況適當減少測回，以減小方向偏差可能引起的流量誤差，每半測回流量值與平均值的偏差小于或等于5%認為測驗合理。

4 H-ADCP 安裝及參數(shù)設置

4.1 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)永泰水文站2019 年水道斷面比對分析計算，其面積比對均未超過±3%，水道斷面穩(wěn)定。由此可見永泰水文站測驗河段斷面穩(wěn)定性非常好，已達到安裝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)的流速垂線分布測量方法采用單點式流速儀逐一對各條流速垂線上不同深度測點進行點測量，而走航式ADCP 是基于聲學多普勒原理的多普勒剖面流速測試技術，空間采樣密度高，測速單元較多，測流時可以覆蓋全部過水斷面，能夠提供更為精細的全斷面二維流速數(shù)據(jù)。根據(jù)永泰水文站測站特性及近年傳統(tǒng)流速儀與走航式ADCP 實測流量資料進行測流斷面上的垂向、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。由斷面流速分布特點的斷面有效測速單元確定可知，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到1：40，即當儀器上下水深各有1m 的時候，聲波打出去的最大有效距離為40m。為了確保在各級水位上H-ADCP 測得的數(shù)據(jù)均有代表性，應該將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合測驗斷面實際情況，經(jīng)過多次技術探討分析后，最后決定將H-ADCP 儀器安裝在新建護岸預設的槽內。儀器安裝高程29.00m，基本可測到主流，所測到指標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

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

5.2 各項率定資料收集情況

本次H-ADCP 率定資料選取的時間段為2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日期間實測流量成果與H-ADCP 同步測得流量原始成果。根據(jù)本年度實測流量情況，通過層層比對篩選，最后選用45 組同期實測流量、水位及H-ADCP 測驗指標流速數(shù)據(jù)進行分析。

5.3 比測分析

水位以人工觀測水位記錄為準，與固態(tài)測得水位進行比對分析。結果表明，固態(tài)水位測驗較為穩(wěn)定和準確，對比水位差值?Z 均在±2cm 內。其中，差值ΔZ=0 的有420 份，ΔZ＜0 的有270份，ΔZ＞0 的有195 份。故進行流量計算時采用固態(tài)測得水位資料滿足規(guī)范要求。

（1）指標流速與斷面平均流速關系的建立和關系曲線檢驗。將10 層數(shù)據(jù)按連續(xù)性原則進行組合，通過對不同組合數(shù)據(jù)進行分析，將指標流速與斷面平均流速建立關系，本次分析采用電腦Excel 進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)對以往資料的檢驗，不同方法計算的徑流量誤差不超過±3%者，可作為整編方法使用。對R2≥0.9990 的6 種組合計算徑流量，計算時間為2019 年1 月至2019 年12 月。

根據(jù)統(tǒng)計分析可知，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照表。對指標流速與斷面平均流速進行適線檢驗，適線相關性良好，因此指標流速通過關系式計算后得到的數(shù)據(jù)可較好代表斷面平均流速。因此指標流速組合方式確定為第1-10 層，關系式為：

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

相關系數(shù)為R2=0.9992

采用以上關系式對2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的指標流速進行修正，計算斷面流量并點繪逐日過程線，與逐日水位過程線進行對照，變化過程基本一致。因受到回水影響，流速小于0.10m3/s 的指標流速不參與三種檢驗。

將H-ADCP 所測得指標流速V指代入上述關系式，計算得到H-ADCP 線上斷面流速，將實測斷面流速與線上斷面流速進行Z～V 關系曲線檢驗計算，得出標準差Se（%）=3.4，隨機不確定度為6.8%，系統(tǒng)誤差為-0.1%，符號檢驗、適線檢驗以及偏離檢驗均符合《水文資料整編規(guī)范》SL247-2012 規(guī)范要求。

（2）日平均流量精度對比分析

根據(jù)永泰水文站往年臨時曲線法推算的日、月平均流量與H-ADCP 后處理軟件推算的相應平均流量進行對比分析。統(tǒng)計計算了6 個月的日平均流量對比分析顯示：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 場洪水摘錄情況繪制兩條流量過程線對比，兩條流量過程線吻合程度較高，經(jīng)統(tǒng)計相對誤差≤±5%的合格率為85%，相對誤差≤±10%的合格率為100%。

（4）水量對照分析

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 測得最大流量為1650m3/s，實測最大流量為1530m3/s，年平均流量為92.5m3/s，年徑流量為29.16×108，與人工自計紙對比分析可知，永泰水文站河段水量基本吻合，滿足規(guī)范規(guī)定要求。

6 結論

H-ADCP 測流系統(tǒng)是一種先進的測流設備，它具有安裝簡便，日常運行成本低，維護少，快捷、實時、準確的優(yōu)點，并對不同水流，特別是受水利工程嚴重影響的河流，H-ADCP 系統(tǒng)的投入應用，將解決流量測驗的難題；在各個流速級別，瞬時指標流速∽斷面平均流速關系通過各項檢驗，精度高，測驗成果令人滿意。H-ADCP 的投入使用，將大大減輕永泰水文站測驗的工作量，直接利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行資料整編，更是減少了資料二次輸入帶來的錯誤，提高整編質量和工作效率。該儀器將為閩江流域大樟溪水系的水文預報和測驗工作提供更為有效的技術手段，對加快福建水文現(xiàn)代化建設有著重要意義。

根據(jù)永泰水文站中低水時H-ADCP 測驗水位的比測分析和指標流速的率定、誤差分析及評價認為，可以應用H-ADCP進行中低水的水位流量實時監(jiān)測。