郴州水文站水平式ADCP流量系數率定分析

【摘 要】近年來，隨著國家對防汛抗旱的重視，越來越多的河流受到水利工程影響，郴水河作為流經城市市區的河流，因其具有景觀河的需求，因此長期蓄水水位在1.80m以上。為了解決郴州水文站流量測驗問題，減少工作強度，探索水平式ADCP在郴州站河流流量測驗中的應用，本文以郴州水文站水平式ADCP與轉子式流速儀同步測驗水面平均流速計算數據為依據，

【關鍵詞】水平式ADCP；率定分析；郴州水文站

1 前言

郴州水文站所管轄的河流郴水河是一條流經城區的河流，隨著近幾年政府對文明城市環境的重視進行了河道改造，在郴水河上下游設置了大大小小18座小型閘壩。2012年下半年郴水河長期處于蓄水狀態，水位經常在1.80m以上。郴州水文站2013年8月安裝了水平式ADCP，但因為配備條件不成熟，儀器受到干擾影響造成數據傳輸經常出現異常現象，無法利用該儀器的性能特點服務工作，為此我站于2016年8月重新改造儀器安裝位置并更換了儀器，現安安裝的儀器為TRDI CM 600 ADCP，通過改進后，現在1.80m以上水位返回的數據信號穩定可靠。為確保測驗精度，充分利用該儀器的實時數據，2016年8月-12月，站里職工對水平式ADCP與轉子式流速儀進行了實測流量比測，共比測了69次，率定了水平式ADCP的流速系數。

2 基本情況

2.1 測驗及斷面情況

本站于1959年設立，流域面積354k㎡，位于湖南省郴州市蘇仙區郴水河左岸蘇園橋下游30m處，是省級重要水文站，區域代表站，測驗項目有水位、流量、降水量、水環境監測。流量為二類精度站。本站是為探求流量特征的空間分布規律、區域水資源開發利用、水利工程建設和防洪抗旱提供科學依據，為郴州市的城市建設及安全防洪而設立。

測驗河段順直，中、高水中泓位置在起點距29.0～45.0m之間，水位達5.00m左右時，右岸開始漫灘，其漫灘寬度達34m左右，水位達7.00m左右時，左岸開始漫灘，漫灘寬度達8m左右。河床組成由卵石夾沙，歷年較為穩定。基上30m處建有一座兩墩三孔水泥公路橋，基下約2380m處于2004年新建成水泥公路橋一座，基下約2500m處于2012年6月新建四普莊鋼壩，用于人工造湖，建成蓄水抬高本站水位約1.80m以上。

河床為“U”形斷面，左右斷面均用石塊護坡， 為水平式在線ADCP安裝和數據的精確性提供了重要的基礎。

2.2固定式H-ADCP工作原理

ADCP又稱聲學多普勒水流剖面儀，是采用了一種稱之為聲學多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度，是一種收發兼容（收發兼容是指同一個換能器既發射聲波，又接收聲波的工作方式）的多普勒流速儀。該儀器可提供0.001 m/s的流速測量分辨率和0.002 m/s的測流分辨率，最大流速測量可達到5 m/s。

其測量原理是：如果一個聲源與接收聲波物體之間有相對運動時，接收聲波物體所接收到的聲波頻率與聲源發射的聲波頻率之間有一個差異，即有一個多普勒的頻移。對于多普勒流速儀，可以用一個公式來表示這個頻移的關系：

這里：Fd = 接收物體接收到聲波的頻率變動（多普勒頻移）

Fo = 聲源發射的超聲波頻率

V = 表示聲源與接收體之間相對運動的速度（即：引起距離變化的相對運動的速度）；當聲源與接收體之間的距離增加時，表現出來的速度為+。

C = 聲波傳播的速度。

3 比測目的、內容

由于郴州水文站近幾年受政府景觀壩工程影響，河流長期處于關閘蓄水狀態，水位在1.80m-2.60m之間平穩變化，該系統可做到實時在線監控，每10min可以傳輸一組流速流量數據回來。采用轉子式流速儀進行測驗工作需要每天進行測量，為了利用好流量實時監控數據，減少測驗工作強度，確定ADCP的率定系數，故采用水平式ADCP和Ls（78）型轉子式流速儀同步進行比測69份流量，并分析單次流速誤差。

4 水平式ADCP系數分析

4.1分析方法

將水平式ADCP在線測流系統指標流速與流速儀實測流量平均流速進行比測分析，并建立關系線。為確保資料一致性和精度，實測流量選用了測流平均時間作為和流量監測系統監測的同步時間，如系統采集數據時間與實測流量平均時間出現偏差，則盡可能選擇其接近時間。

4.2 相關系數分析

將比測時間段內收集到的69分流量資料，對水平式ADCP在線指標流速與實際測量斷面平均流速進行數據對比以及誤差分析，分析內容包括，絕對誤差、相對誤差、系統誤差等。

4.3關系率定

本次率定分析資料的時間段為2016年8月27日～2016年12月21日，共收集了69份率定分析資料，實測流速變幅為0.04 m/s～1.04m/s，水位變幅1.80m – 3.00m。本次V指標～V實測相關關系率定關系線，參與分析的測點69個，建立相關公式為： y = -0.2575x2 + 1.1353x - 0.0158，相關系數R2 = 0.9966。

對水平式ADCP流量監測系統率定的Q指標～Q實測關系曲線進行符號、適線和偏離數值三個檢驗分析，以確定率定曲線是否正確可行。

4.4 關系線檢驗

結果：上述三種方法對流速關系曲線的檢驗，均達到規范要求，認為定線正確。

在實際操作中，用水平式ADCP中的指標流速到關系線上查得線上流速，再以線上流速與實測面積的積作為流量成果。

5 結論

（1）指標流速和在線流速V指標～V實測相關關系率定關系采用相關公式為： y = -0.2575x2 + 1.1353x - 0.0158，關系精度滿足要求。

（2）由于該儀器的安裝高程限制，目前主要適用于水位高于1.80m的河流情況。

（3）水平式ADCP流量計是一種先進的、技術含量高的測流儀器，它能實現實時在線監測流量，具有安裝簡便，日常運行成本低，維護少，快捷、實時、準確的優點，并對外界抗干擾能力強、對不同水流具有較好的適應性。

參考文獻：

[1]河道流量測驗規范 北京：中國計劃出版社，1993年

[2]水文資料整編規范 水利部，2012年

[3]水文測驗使用手冊 中國水利水電出版社

作者簡介：劉婷利，（1988-11-）女，湖南嘉禾，助理工程師，本科，現在主要從事工作水文監測。