三堆子水文站H-ADCP比測試驗研究

張 娜，王 進，蔣 波

（長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014）

0 引言

三堆子站地處金沙江下段干熱河谷地帶，集水面積288571 km2?？刂蒲诺a江匯入金沙江后的水情。三堆子站河道比較順直，經(jīng)過兩年來的測量，水位流量關(guān)系呈單一線。H-ADCP是用于河流或明渠流速、流量在線監(jiān)測的聲學(xué)多普勒儀器，是當(dāng)前在我國逐漸興起的一種新型測流儀器，憑借其操作方便、快速高效、穩(wěn)定可靠等多方面優(yōu)點，是當(dāng)前水文測驗方式方法更新的重要手段。H-ADCP通過測量代表流層的流速，進而推算得到斷面流量，簡便易于操作，可以在線實時監(jiān)測河流斷面的流速流量過程，適合在水流條件變化急劇復(fù)雜或受水利工程影響的水文站進行流量測驗。三堆子站H-ADCP儀器安裝方案經(jīng)過比較分析，選擇在基本水尺斷面(兼測流斷面)的左岸。于2007年1月采用垂直混泥土結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)支架安裝，該儀器位置在斷面的起點距36.7 m處，儀器的垂直波束的高程為976.90 m。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整，儀器表面水平指向?qū)Π叮遗c水流方向垂直，儀器傾斜傳感器測量的縱、橫搖角度確保在1°以內(nèi)[1，2]。

H-ADCP應(yīng)用前需要進行比測試驗研究，以確定其應(yīng)用條件和方案。文中根據(jù)三堆子水文站兩年比測資料，確定H-ADCP在長江上游山區(qū)性河道測驗時相關(guān)測驗參數(shù)，確定流量推算方案，主要是指標(biāo)流速的率定，包括指標(biāo)流速段的選取和相關(guān)關(guān)系的建立。探索H-ADCP在長江上游山區(qū)性河道不同水力條件和水流特性下，特別是在不同含沙量級的測驗適用條件和適用范圍。從而檢驗H-ADCP在不同水沙條件運用條件下的穩(wěn)定性和精度研究，探索H-ADCP作為一種測流的基本方法和手段的可行性，提高水文監(jiān)測的技術(shù)水平，推進水文現(xiàn)代化的進程。

1 比測情況和方法

1.1 主要參數(shù)設(shè)置

深度單元尺寸2 m；深度單元個數(shù)128，覆蓋了大斷面相應(yīng)安裝高度的全水平層；盲區(qū)2 m；起點距離0.40 m；采樣間隔5 min；平均時段2 min；水體含鹽度0 ppt。

1.2 比測資料情況

從2009年4月2日至2009年8月16日、2010年6月5日至2010年7月24日，對三堆子站進行了H-ADCP比測試驗，在此期間，三堆子站經(jīng)歷了2009年最高洪水位漲水過程，掌握了洪水變幅范圍。率定期間流量總共變化范圍為1160～16100 m3/s，流速儀施測流速范圍為0.94～3.82 m/s，即為指標(biāo)流速法參數(shù)率定提供一定范圍的流速變幅。

在進指標(biāo)流速分析時，在比測時段內(nèi)，采用三堆子站流速儀實測流量進行分析，當(dāng)實測流量水位級和數(shù)據(jù)不夠時，找到需要水位的H-ADCP有采集數(shù)據(jù)的時間段，從整編后的水位流量關(guān)系中查的流量和相應(yīng)大斷面的面積得到該時段的平均流速，不影響資料分析研究的合理性和精度[3]。

1.3 流量推算原理

當(dāng)采用H-ADCP進行在線流量監(jiān)測時，HADCP實時采集水平線上的流速分布數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)。需要選擇適當(dāng)?shù)牧髁克惴?，利用這些數(shù)據(jù)以及過水?dāng)嗝鏀?shù)據(jù)計算出流量。有兩種流量計算方法可以應(yīng)用：指標(biāo)流速法和數(shù)值法。這兩種方法是獨立的、完全不同的流量算法。常用的是指標(biāo)流速法。結(jié)合水文測站的實際，重點分析測站現(xiàn)流速儀施測平均流速與指標(biāo)流速法的概念關(guān)系。

1.4 指標(biāo)流速法原理

指標(biāo)流速法的基本原理是建立斷面平均流速與指標(biāo)流速（即某一實測流速）之間的相關(guān)關(guān)系（即率定曲線或回歸方程）。指標(biāo)流速實際上是河流斷面上某處的局部流速。斷面平均流速則可以認為是河流斷面上的總體流速。因此，指標(biāo)流速法的本質(zhì)是由局部流速來推算總體流速。在實際應(yīng)用中，有3種局部流速可以用來作為指標(biāo)流速：某一點處的流速、某一垂線處的深度平均流速、某一水層處某一水平線段內(nèi)的線平均流速。

H-ADCP主要選取某一水層處某一水平線段內(nèi)的線平均流速作為指標(biāo)流速，需要指出的是，第三種指標(biāo)流速只要求某一水層處某一水平線段內(nèi)的線平均流速，并不要求整個河寬范圍內(nèi)的水平線平均流速[4]。

根據(jù)上述指標(biāo)流速與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，推算流量計算的基本公式為：Q=AV，式中：V為斷面平均流速；A為斷面過水面積。過水?dāng)嗝婷娣e由斷面幾何形狀和水位確定。對于某一斷面，過水?dāng)嗝婷娣e僅為水位的函數(shù)：A=f（H），過水?dāng)嗝婷娣e與水位的關(guān)系通常采用表格或經(jīng)驗曲線來表示，H為水位。

1.5 指標(biāo)流速的率定

指標(biāo)流速的率定即建立指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，建立率定關(guān)系（即流速回歸函數(shù)或方程）需要兩個步驟。

第一步是流量和指標(biāo)流速采樣樣本。在采用H-ADCP進行指標(biāo)流速采樣的同時，需用流速儀或走航式ADCP和超聲波測驗流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)。樣本需包含不同水位、流量級的可具代表性。通過比測，得到相應(yīng)的斷面平均流速與指標(biāo)流速相應(yīng)的樣本數(shù)，其中指標(biāo)流速要求選取不同單元范圍，代表層面不同級指標(biāo)流速。

第二步是回歸分析過程。要求選擇合適的回歸方程，通過對數(shù)據(jù)比測值進行回歸分析，從而確定回歸系數(shù)?；貧w分析過程可以借助軟件也可通過其它幾種方程來分析。通常要求采用幾種方程不同方式進行回歸分析，最后對回歸分析結(jié)果進行綜合評價后，以確定“最佳”回歸方程及指標(biāo)流速單元范圍[5][6]。

2 比測試驗成果分析

2.1 比測試驗特征值統(tǒng)計

率定時間為2009年4月2日至8月16日，以及2010年6月5日至7月24日；其中2009年搜集數(shù)據(jù)29600組，2010年收集數(shù)據(jù)554組；比測期水位變幅為976.12～988.99 m，2009年全年水位變幅為975.61～989.44 m；比測期流量變幅為1160～16100 m3/s，2009 年流量變幅為 870～16700 m3/s；比測期流速儀斷面平均流速變幅為0.94～3.82 m/s；比測期含沙量變幅為0.003～6.93 kg/m3，2009年含沙量變幅為 0.003～6.93 kg/m3。

2.2 指標(biāo)流速率定

2.2.1 指標(biāo)流速段的選取

根據(jù)指標(biāo)流速建立要求，根據(jù)試測的結(jié)果來看，10.40～50.40 m段的回波信號穩(wěn)定，流速紊動較小，50.40 m以外的范圍在低水時易受過往船只的影響，結(jié)合大斷面資料，初步確定三堆子站HADCP的VSL流速的水平段按照表1的單元范圍進行選取。

2.2.2 相應(yīng)斷面指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速計算

三堆子站指標(biāo)流速，通過H-ADCP采集的數(shù)據(jù)在相應(yīng)的流速單元內(nèi)進行回放，找到相應(yīng)時間段直接計算該時段內(nèi)平均指標(biāo)流速得到。流速儀斷面平均流速的計算是通過實測流量直接得到，當(dāng)實測流量水位級和數(shù)據(jù)不夠時，找到需要水位的H-ADCP有采集數(shù)據(jù)的時間段，從整編后的水位流量關(guān)系中，查的流量和相應(yīng)大斷面的面積得到該時段的平均流速。

同時也存在極端的情況，如2009年08月01日 08∶24，出現(xiàn)了最大單沙 6.93 kg/m3，H-ADCP出現(xiàn)了監(jiān)測期間最大含沙量，由于含沙量過大HADCP回波線不超過30 m。

由ADCP數(shù)據(jù)及該站洪水含沙量分析，得到如下結(jié)論：即當(dāng)三堆子站含沙量達到一定程度時（含沙量為6.93 kg/m3以上），H-ADCP測量范圍受限制，在高含沙量能取得ADCP數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)過程離散，關(guān)系紊亂，故此兩時段內(nèi)數(shù)據(jù)不參與指標(biāo)流速率定。

表1 三堆子H-ADCP流速單元選取范圍表

2.2.3 相應(yīng)斷面指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速關(guān)系分析

對三堆子水文站H-ADCP指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速建立一元線性、一元二次、指標(biāo)函數(shù)和冪函數(shù)回歸方程進行分析。

1）一元線性回歸方程關(guān)系圖。根據(jù)指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速，按一元線性回歸方程建立的關(guān)系即：

式中：VSL——H-ADCP的流速不同單元段平均流速；Vs25-3——流速儀斷面平均流速。

分別率定不同方案指標(biāo)流速與流速儀斷面平均流速的關(guān)系，率定結(jié)果見表2。

表2 不同單元段方案一元線性回歸方程成果表

2）一元二次回歸方程方案。由于在處理各種方案的回歸方程的建立時，部分相關(guān)點子相對較為離散，經(jīng)過分析，采用一元二次關(guān)系建立相應(yīng)的曲線回歸方程，可以達到非常良好的擬合關(guān)系，建立相應(yīng)的一元二次回歸方程：Vs25-3＝b1b2VSL2+b3VSL。

分別率定不同方案指標(biāo)流速與流速儀斷面平均流速的關(guān)系，率定結(jié)果見表3。

表3 不同單元段方案一元二次回歸方程成果表

分別率定不同方案指標(biāo)流速與流速儀斷面平均流速的關(guān)系。率定結(jié)果見表4。

表4 不同單元段方案冪函數(shù)回歸方程成果表

2.2.4 指標(biāo)流速率定方案精度分析

在建立好各種不同方案的指標(biāo)流速回歸方程后，根據(jù)指標(biāo)流速計算斷面平均流速，與流速儀流速、進行誤差分析統(tǒng)計，統(tǒng)計 Vsl(10.40-30.40），Vsl(20.40-30.40)，Vsl(20.40-40.40），Vsl(30.40-40.40），Vsl(30.40-50.40），5 種方案在 3 種流速回歸方程推算下的測流成果及指標(biāo)流速的誤差，統(tǒng)計分析見表5。

表5 誤差統(tǒng)計分析表 %

2.3 指標(biāo)流速率定方案綜合分析、評定

根據(jù)上述計算、分析表明，一元線性、一元二次、冪函數(shù)3種流速回歸方程在不同方案的相關(guān)性都非常良好，尤其是在Vsl(20.40-30.40)指標(biāo)流速方案中，其一元線性、復(fù)合線性、一元二次等回歸方程中的相關(guān)系數(shù)都具有非常良好的相關(guān)性。因此在三堆子站水文站，采用H-ADCP指標(biāo)流速來代表斷面平均流速是可行的。

通過上述分析、計算及測驗現(xiàn)場條件綜合分析，經(jīng)過選擇比較，選擇最優(yōu)方案中應(yīng)用在三堆子站的指標(biāo)流速率定關(guān)系，見表6。

表6 推薦三堆子站最優(yōu)方案H-ADCP指標(biāo)流速率定關(guān)系

2.4 指標(biāo)流速流量與流速儀流量過程流量分析

采用推薦最優(yōu)Vsl(20.40-30.40)指標(biāo)流速一元二次回歸方程，計算得到相應(yīng)的流量，對比分析流量誤差關(guān)系，驗證評定資料合理性與可靠性。見圖1。

圖3 流速儀與H-ADCP指標(biāo)流量過程對照圖

由以上圖表分析可得，三堆子站的H-ADCP指標(biāo)流速代表性比較好，相應(yīng)流速儀流量與指標(biāo)流量的一元線性相關(guān)系數(shù)達到0.9996，相對標(biāo)準(zhǔn)差1.8%。說明三堆子站H-ADCP資料具有合理性、可靠性[7]。

3 結(jié)論與建議

1）在三堆子站水文站開展的H-ADCP比測試驗方法、操作、安裝及參數(shù)設(shè)置正確，收集到了豐富的基礎(chǔ)資料，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，對于該站的水文要素的變化，具有充分的代表性，可用于H-ADCP在該站的應(yīng)用研究分析。

2）采用指標(biāo)流速段相對三堆子水文站的大斷面及流速變化特性具有充分的代表性，而且上述各段的回波信號良好，與流速儀法的斷面平均流速建立的相關(guān)關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2均超過95%，因此在三堆子水文站采用H-ADCP指標(biāo)流速法測流是可行的。

3）通過精度誤差分析，相應(yīng)流量比較分析檢驗，結(jié)合三堆子站的大斷面、H-ADCP的水平流速分布、回波信號質(zhì)量，最優(yōu)推薦該站的指標(biāo)流速率定方案為一元二次：VS25-3=-0.0648Vsl(20.40-30.40）2+1.3079Vsl(20.40-30.40）+0.4725。

4）建議三堆子水文站在流量16100 m3/s以下，采用H-ADCP指標(biāo)流速法測流，推進水文測驗方式、方法的創(chuàng)新。

[1]杜耀東，宋星原，王俊.H-ADCP在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用[J].人民長江，2008，39（3）：57-59.

[2]王發(fā)君，黃河寧.H-ADCP流量在線監(jiān)測指標(biāo)流速法定線軟件“定線通”介紹與應(yīng)用[J].水文，2007，27（4）：63-65，44.