H-ADCP在城市智慧引調(diào)水工程中的應(yīng)用＊

徐煊 李樹森 楊興旺

（南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇南京 211100）

0.引言

在智慧引調(diào)水工程中，最為重要的基礎(chǔ)感知設(shè)備是建立在城市河網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)節(jié)制閘、排澇閘的H-ADCP流量站點(diǎn)，它們能夠?qū)崟r(shí)有效地測量河道流量數(shù)據(jù)，給大數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)給防洪排澇工作提供決策支持，有利于區(qū)域水資源合理的規(guī)劃治理[1]，對(duì)智慧水利工程起促進(jìn)作用。本文旨在研究H-ADCP在城市智慧引調(diào)水工程中的應(yīng)用，對(duì)其精確性和可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.H-ADCP測流

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）面世于20世紀(jì)70年代末，隨著聲波換能器的不斷發(fā)展進(jìn)步，國際上出現(xiàn)了多類型的ADCP，大型海洋研究項(xiàng)目如TO-GA，WOCE，WEPOCS 等都使用了ADCP，在它當(dāng)時(shí)也被海委會(huì)正式列為4種新型先進(jìn)海洋觀測儀器之一[2]。

H-ADCP是指水平固定式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，相較于傳統(tǒng)測流儀器，它具有測量精度高、安裝簡便等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備參數(shù)來看，H-ADCP適用于流道順直，水流平穩(wěn)，無紊流區(qū)的明渠河道中，而城市智慧引調(diào)水工程中，城區(qū)河道均為人工襯砌河道，符合H-ADCP使用的環(huán)境要求，能夠充分發(fā)揮其測流的準(zhǔn)確性和可靠性。本文使用的H-ADCP是國電南瑞科技股份有限公司自主研發(fā)的設(shè)備NDCP3090H。

2.率定分析

2.1 分析方法

為研究H-ADCP在城市智慧引調(diào)水工程中測量的可靠性和精確性，本文選取引調(diào)水工程中主干河道節(jié)制閘的實(shí)測流量站進(jìn)行測流精度率定比測實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)工程建設(shè)要求和水文測量規(guī)范，測流設(shè)備安裝位置距離上下游水工建筑物在5倍河道寬度以上，設(shè)備聲波發(fā)射器的俯仰角和傾斜角在±0.5°以內(nèi)，聲波方向垂直于河流流向。對(duì)照率定使用的設(shè)備是TRDI走航船，性能參數(shù)符合測流規(guī)范，在率定實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)傳統(tǒng)指標(biāo)流速法的原理，利用H-ADCP測量的流速為指標(biāo)流速，走航式ADCP測量的流速作為實(shí)測流速，建立回歸關(guān)系。由于實(shí)驗(yàn)所在河道淤積較少，斷面為規(guī)則斷面，且TRDI走航式ADCP與NDCP3090H型H-ADCP 設(shè)備的測流斷面為同一斷面，所以本文對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，滿足《SL/T 247-2020水文資料整編規(guī)范》中測流定線要求。同時(shí)根據(jù)比測產(chǎn)品性能和水文行業(yè)規(guī)范要求，本文采用一元線性方法對(duì)指標(biāo)流量和對(duì)照流量進(jìn)行回歸關(guān)系定線和比測率定分析。

2.2 比測率定

本次比測率定分析實(shí)驗(yàn)選取城市河道節(jié)制閘閘前河道流量站進(jìn)行流量比測率定實(shí)驗(yàn)，確保比測實(shí)驗(yàn)符合水文觀測規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠驗(yàn)證NDCP3090H型H-ADCP在城市智慧引調(diào)水工程中測流的精確性和可靠性。由于比測實(shí)驗(yàn)時(shí)間為4月，城市水資源緊缺，閘門放水管控嚴(yán)格，本次只進(jìn)行常水位的流量比測率定，總共70個(gè)測次。通過比測實(shí)驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)流量數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行回歸定線，得到H-ADCP指標(biāo)流量和斷面流量的關(guān)系公式：QP=0.9662Qi，相關(guān)系數(shù)R2=0.9912，式中，Qi表示指標(biāo)流量，Qp表示斷面流量。

2.3 檢驗(yàn)分析

根據(jù)《SL/T 247-2020水文資料整編規(guī)范》[3]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線進(jìn)行定線精度檢驗(yàn)和關(guān)系曲線檢驗(yàn)，保證H-ADCP測流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，驗(yàn)證水平固定式聲學(xué)多普勒流速剖面儀在城市智慧引調(diào)水工程應(yīng)用的合理性。

2.3.1 定線精度檢驗(yàn)

由于本次實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)系曲線為一元線性回歸曲線，是經(jīng)單值化處理的單一線，同時(shí)流量實(shí)測點(diǎn)數(shù)不少于10個(gè)，因此需要計(jì)算實(shí)測點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差。通過水文資料整編規(guī)范公式和關(guān)系曲線數(shù)據(jù)，計(jì)算得到實(shí)測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差為6.9%，隨機(jī)不確定度為13.8%，系統(tǒng)誤差為0.12%，滿足3類精度水文站采用ADCP測流單一曲線法的定線精度指標(biāo)，即隨機(jī)不確定度不超過14%，系統(tǒng)誤差不超過2%。

2.3.2 關(guān)系曲線檢驗(yàn)

因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)得到的指標(biāo)流量關(guān)系曲線為一元線性回歸曲線，根據(jù)規(guī)范要求，屬于經(jīng)單值化處理的單一線，且流量實(shí)際測點(diǎn)在10個(gè)以上，所以需要對(duì)流量關(guān)系曲線做符號(hào)檢驗(yàn)，適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)。根據(jù)率定比測的70個(gè)測次數(shù)據(jù)和斷面流量關(guān)系曲線，計(jì)算對(duì)應(yīng)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，與對(duì)應(yīng)顯著性水平a下的允許最大臨界量進(jìn)行對(duì)比，得出各個(gè)曲線檢驗(yàn)的結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，符號(hào)檢驗(yàn)在顯著性水平a為0.25的情況下，統(tǒng)計(jì)參數(shù)u為0.84，小于允許最大臨界量1.15；適線檢驗(yàn)由于統(tǒng)計(jì)參數(shù)k為36，大于測次參數(shù)0.5（n-1），因此無需做適線檢驗(yàn)；偏離數(shù)值檢驗(yàn)在顯著性水平a為0.20的情況下，統(tǒng)計(jì)參數(shù)|t|為0.15，小于允許最大臨界量1.28。

由上述統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出所得流量回歸關(guān)系曲線滿足各項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以判定率定結(jié)果合格，率定實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)系曲線適用于城市地區(qū)河道測流環(huán)境。同時(shí)，根據(jù)地方流量站水文測量規(guī)范要求規(guī)定“首次比測率定成果質(zhì)量可暫時(shí)按照樣本總數(shù)不少于15個(gè)、隨機(jī)誤差≤15%、相對(duì)誤差≤20%樣本數(shù)不少于90%控制”，本次率定實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差為13.8%，樣本數(shù)70個(gè)，全部樣本相對(duì)誤差不超過20%，滿足對(duì)應(yīng)規(guī)范要求。

根據(jù)率定比測數(shù)據(jù)以及流量關(guān)系曲線分析可以得到，本次率定相關(guān)統(tǒng)計(jì)量均在允許最大臨界值以下，檢測結(jié)果符合率定比測規(guī)范要求，驗(yàn)證了國電南瑞科技股份有限公司自產(chǎn)H-ADCP設(shè)備NDCP3090H在城市河網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線流量監(jiān)測具有較高的測流精度，能夠確保智慧引調(diào)水工程流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.結(jié)語

綜合上述智慧引調(diào)水工程背景和設(shè)備測流精度率定實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，國電南瑞科技股份有限公司研發(fā)自產(chǎn)的H-ADCP設(shè)備NDCP3090H在城市智慧引調(diào)水工程中的應(yīng)用具有較高的實(shí)際意義，它提高了流量測量的精確性和實(shí)時(shí)性，擺脫了原有依靠人工計(jì)算的流量測量方式，為引調(diào)水工程中的智慧分析和方案決策提供了一種更加高效的數(shù)據(jù)采集方式。尤其是從比測率定的精度檢驗(yàn)成果來看：城市河網(wǎng)流量站安裝的NDCP3090H型H-ADCP結(jié)果數(shù)據(jù)整編得到的流量曲線呈一元線性回歸關(guān)系，關(guān)系曲線檢驗(yàn)的各類統(tǒng)計(jì)參數(shù)均符合規(guī)范要求，這證明NDCP3090H能夠滿足引調(diào)水工程的測量精度需求，保障智慧引調(diào)水工程的穩(wěn)定運(yùn)行。