基于VB的H-ADCP率定程序的研發(fā)與應(yīng)用

盛龍壽，席澤超，朱龍喜，姚華，秦建國，嚴(yán)維寧

（江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇無錫，214031）

0 引言

流量測驗(yàn)是水文監(jiān)測的重要任務(wù)之一，隨著水利現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的測流方式已無法完全滿足水利信息化的要求，更多的新技術(shù)、新設(shè)備被引進(jìn)，水平聲學(xué)多普勒剖面流速儀（H-ADCP）應(yīng)用最為廣泛，它利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測量，通過測量斷面部分單元流速進(jìn)而推算出斷面流量。H-ADCP代表流速與實(shí)測斷面平均流速關(guān)系的率定精度，決定了H-ADCP自動化測流的精度。目前，H-ADCP代表流速的單元區(qū)間選擇仍采用人工方式，存在一定的誤差，如何最優(yōu)化的自動率定H-ADCP代表流速與實(shí)測斷面平均流速的關(guān)系問題還有待進(jìn)一步研究解決。通過運(yùn)用VB6.0編程對存儲在Excel表內(nèi)的H-ADCP單元流速和實(shí)測斷面平均流速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以實(shí)現(xiàn)代表流速單元區(qū)間和流速系數(shù)的自動最優(yōu)化選擇。

1 H-ADCP測流基本原理

聲學(xué)多普勒剖面流速儀ADCP分為走航式與定點(diǎn)式兩類，定點(diǎn)式ADCP又分為橫向測流和垂向測流兩種，其中橫向測流的水平聲學(xué)多普勒剖面流速儀（H-ADCP）具有安裝調(diào)試和維護(hù)比較方便，能測驗(yàn)斷面一個區(qū)域一層連續(xù)的多個測點(diǎn)（單元）流速的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛[1]。H-ADCP利用多普勒效應(yīng)原理以測到的水體中移動的顆粒物速度作為水流速度，可根據(jù)部分單元區(qū)間代表流速和實(shí)測斷面平均流速率定流速系數(shù)，通過H-ADCP部分單元流速和率定出的流速系數(shù)推算出斷面流量[2]。

2 程序設(shè)計(jì)思路

假設(shè)H-ADCP比測了n次，測流斷面共劃分了m個單元，H-ADCP率定的實(shí)質(zhì)就是需要找出與實(shí)測斷面平均流速關(guān)系最好的單元流速區(qū)間。設(shè)計(jì)思路如下：

需要率定的假設(shè)單元流速區(qū)間共有m+0.5·m·(m-1)種單元區(qū)間組合：

第1列、第1-2列、第1-3列……第1-（m-1）列、第m列

第2列、第2-3列……第2-（m-1）列、第2-m列

第 3列……第3-（m-1）列、第 3-m列

………. ……

………. ……

第（n-1）-(m-1)列第(n-1)-m列

第n-m列

單元流速區(qū)間的平均流速與實(shí)測斷面平均流速的關(guān)系為：

式中：Vm為實(shí)測斷面平均流速，m/s；

Vcp為H-ADCP單元流速,m/s。

流速系數(shù)K值的取值范圍一般在0.80～1.20之間，實(shí)際上不會出現(xiàn)超出這個范圍的數(shù)值[3]。

可以假設(shè)k值分別為0.80、0.81、0.83…..1.19、1.20，根據(jù)假設(shè)的單元區(qū)間流速平均值推算出斷面平均流速，進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差Se。根據(jù)水文資料整編規(guī)范（SL 247-2012）[4],標(biāo)準(zhǔn)差可按下式計(jì)算：

式中：Se為實(shí)測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差，%；

pdi為第i實(shí)測斷面平均流速,m/s；

pci為第i推算的斷面平均流速,m/s。

最后是挑選最小的標(biāo)準(zhǔn)差及對應(yīng)的K值和單元區(qū)間范圍。

上述步驟不可能用人工計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)，可通過計(jì)算機(jī)編程加以解決。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 編制EXCEL工作表

Excel是目前常用的辦公軟件之一，很多工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)以Excel電子表格的文件存儲。要從這些表格里得到可靠的計(jì)算結(jié)果，必須借助計(jì)算機(jī)程序軟件來自動處理繁瑣的數(shù)據(jù)[5]。Excel工作表的數(shù)據(jù)必須包含單元流速、實(shí)測斷面平均流速數(shù)據(jù)。單元流速數(shù)據(jù)可根據(jù)H-ADCP自動測流記錄挑選，實(shí)測斷面平均流速數(shù)據(jù)一般根據(jù)H-ADCP使用單位實(shí)測流量資料統(tǒng)計(jì)。示例樣表見表1，表中第四列至倒數(shù)第二列為單元流速，最后一列為比測得到的斷面平均流速。在選擇單元流速時，剔除靠近H-ADCP處的部分單元流速和對岸的部分單元流速，原因是岸邊一般有回水倒流現(xiàn)象，流速不太穩(wěn)定，由于ADCP有波速寬角，離儀器較遠(yuǎn)處的流速測驗(yàn)誤差較大，對岸岸邊部分流速測驗(yàn)誤差較大。某些測次如受航運(yùn)船只影響，流速分布有突變現(xiàn)象，也應(yīng)人工剔除。某些測次采用不同的測流方式，會存在一定的系統(tǒng)誤差，也應(yīng)注意甄別并剔除。

表1 xxx站 H-ADCP單元流速數(shù)據(jù)

2021-08-01 10:33 4 4.02 0.04 0.08 0.10 ……0.07 0.06 0.05 0.11… … … … … … …… … … … …… … … … … … …… … … … …… … … … … … …… … … … …2021-09-23 13:07 4 4.02 0.04 0.08 0.10 ……0.07 0.06 0.05 0.11 2021-09-30 12:30 4 4.09 0.10 0.11 0.11 ……0.07 0.04 0.03 0.12 2021-10-07 11:53 4 4.04 0.21 0.22 0.23 ……0.17 0.15 0.16 0.26

3.2 Vb編程

3.2.1 程序流程

圖1 設(shè)計(jì)思路及程序流程圖

3.2.2 Vb讀取Excel數(shù)據(jù)

VB6.0提供的ActiveX自動化技術(shù)，能使VB訪問或控制Excel,實(shí)現(xiàn)對其表格內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先需要添加引用microsoft excel 11.0 object library，編制好啟動頁面表單。采用四重循環(huán)語句計(jì)算各單元區(qū)間平均流速，平均流速采用算數(shù)平均法計(jì)算。然后采用假設(shè)的流速系數(shù)計(jì)算推流誤差，假設(shè)流速系數(shù)范圍為0.50～1.50。再采用水文資料整編規(guī)范的公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，最后選擇最小標(biāo)準(zhǔn)差及相應(yīng)的單元流速區(qū)間范圍和流速系數(shù)。具體程序語句從略。

4 計(jì)算實(shí)例

某站根據(jù)表2用程序最優(yōu)化選擇了單元區(qū)間范圍，率定出了H-ADCP代表流速與斷面平均流速的系數(shù)，代表流速與斷面平均流速率定成果通過符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，符合國家水文資料整編規(guī)范。率定成果圖見圖2，關(guān)系曲線檢驗(yàn)表見表2。

圖2 xxx站H-ADCP代表流速與斷面平均流速率定成果圖

表2 xxx站H-ADCP代表流速～斷面平均流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

適線檢驗(yàn)： U=-1.44 免檢偏離數(shù)值檢驗(yàn)： |t|=0.43 允許：1.67(顯著性水平 a=0.10) 合格標(biāo)準(zhǔn)差： Se(%)=5.1 隨機(jī)不確定度(%)：10.2系統(tǒng)誤差(%)：-0.4說明：

5 結(jié)論

利用VB的ActiveX自動化技術(shù)開發(fā)的H-ADCP率定程序，其設(shè)計(jì)思路清晰，程序語言簡明，用戶界面友好，操作簡單，在國內(nèi)首次解決了目前H-ADCP率定時單元代表流速區(qū)間選擇過程中的人為誤差問題，提高了率定精度，符合精細(xì)化管理的要求，具有重要的推廣應(yīng)用價值。