固定式H—ADCP水流量監(jiān)測算法研究

趙倩

摘 要：文章采用固定式H-ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算流量，建立平均流速與指標(biāo)流速的數(shù)學(xué)模型，通過指標(biāo)流速法和數(shù)值法計(jì)算水流量與固定式H-ADCP實(shí)測水流量的相對(duì)誤差，指標(biāo)流速法和數(shù)值法計(jì)算驗(yàn)證了固定式H-ADCP水流量監(jiān)測算法的有效性，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：H-ADCP水流量監(jiān)測 固定式CM型 計(jì)算水流量

中圖分類號(hào)：S274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（c）-0115-02

隨著科學(xué)興建大量水利工程，為了獲得水流量變化過程，越來越迫切地要求高精度水流量監(jiān)測，勢必要增加測次，加大工作量及經(jīng)濟(jì)成本。傳統(tǒng)水流量監(jiān)測方法僅適用于小流量環(huán)境，水流量水設(shè)備精度較低，亟需水流量監(jiān)測以解決受工程影響的水流量監(jiān)測問題[1]。目前，水流量在線監(jiān)測主要有流速面積法及水力學(xué)法。水力學(xué)法又分為水工建筑物測流法和量水建筑物測流法；流速面積法又分為剖面流速測量和表面流速測量。采用H-ADCP進(jìn)行水流量監(jiān)測是現(xiàn)在常用的方法，固定式CM型（Channel Master）H-ADCP新型聲學(xué)多普勒水流量監(jiān)測儀器，流速量程可達(dá)±20 m/s，具有128個(gè)可選單元。三個(gè)型號(hào)（CM300、CM600和CM1200）系統(tǒng)頻率分別為300 kHz、600 kHz和1 200 kHz，H-ADCP通常長期固定安裝在某一站位，水流量監(jiān)測站可以是無人值守，水流量數(shù)據(jù)通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳到任何地點(diǎn)。有兩種完全不同的流量計(jì)算方法，即是指標(biāo)流速法和數(shù)值法，其中數(shù)值法本質(zhì)上是流速-面積法，指標(biāo)流速法本質(zhì)是率定。指標(biāo)流速法缺點(diǎn)是需要率定，優(yōu)點(diǎn)是不需要H-ADCP剖面范圍覆蓋整個(gè)過水?dāng)嗝?；?shù)值法缺點(diǎn)要求H-ADCP剖面范圍覆蓋整個(gè)過水?dāng)嗝?，最大?yōu)點(diǎn)是不需要率定[2]。

因此，針對(duì)幾十米及以下寬的明渠，明渠寬小于H-ADCP剖面范圍，兩種流量計(jì)算方法都可以采用。大江大河寬度大于H-ADCP剖面范圍，只能采用指標(biāo)流速法。

1 計(jì)算實(shí)測數(shù)據(jù)流量

1.1 實(shí)測數(shù)據(jù)概況

試驗(yàn)采用600 kHzCM型固定式H-ADCP從橋中段固定放入河流，H-ADCP設(shè)定參數(shù)為采樣間隔37.4 s，平均時(shí)間步長37.4 s，盲區(qū)0.5 m，單元數(shù)20，單元長度0.5 m。H-ADCP自13：00～14：00采樣，歷時(shí)1 h，共獲得361組流速、水位等數(shù)據(jù)，H-ADCP水流量測驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。

現(xiàn)場實(shí)測固定式H-ADCP實(shí)測水位和固定式H-ADCP實(shí)測流速分布和水位數(shù)據(jù)如表1所示，采用其數(shù)據(jù)指標(biāo)流速法和數(shù)值法計(jì)算流量[3]。

1.2 數(shù)值法

利用明渠流速分布定律和H-ADCP實(shí)測流速數(shù)據(jù)推算過水?dāng)嗝嫔细鱾€(gè)點(diǎn)的流速，然后對(duì)整個(gè)過水?dāng)嗝媪魉俜植歼M(jìn)行積分算出流量[4]。設(shè)為垂直于過水?dāng)喽牧魉俜至?，流量?jì)算公式為

公式（2）中，為渠底高程，流速分布系數(shù)為α（y）。經(jīng)驗(yàn)常數(shù)為β，β=1/6，與河床慥率、河流流態(tài)有關(guān)。Zb和α（y）均為y的函數(shù)，α（y）可由H-ADCP實(shí)測單元流速分量求得。

該文實(shí)驗(yàn)采用單元流速來推算過水?dāng)嗝嫔细鱾€(gè)點(diǎn)的流速。啟動(dòng)數(shù)值算法模塊然后回放試驗(yàn)得到的H-ADCP流速和水位數(shù)據(jù)算出水流量。

1.3 指標(biāo)流速法

指標(biāo)流速建立數(shù)學(xué)模型表示，即指標(biāo)流速與數(shù)據(jù)斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系，類似于代表點(diǎn)法或代表線法，其本質(zhì)是率定法，指標(biāo)流速法基本原理是利用實(shí)測流量，提出河流或明渠過水?dāng)嗝嫔夏程幍木植苛魉賉5]。該文實(shí)驗(yàn)得到9組實(shí)測斷面平均流速與指標(biāo)流速數(shù)據(jù)。利用指標(biāo)流速法針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，水面平均流速與指標(biāo)流速的數(shù)學(xué)模型如下。

（3）

將數(shù)學(xué)模型公式（3）率定系數(shù)為0.863 5，水流斷面數(shù)據(jù)輸入H-ADCP啟動(dòng)指標(biāo)流速法模塊，然后回放實(shí)驗(yàn)得到的H-ADCP流速和水位數(shù)據(jù)，通過指標(biāo)流速法計(jì)算出水流量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較分析

通過表1可以看到，H-ADCP實(shí)測水位變化范圍為0.385～0.455 m，H-ADCP實(shí)測指標(biāo)流速變化范圍為0.027～0.199 m/s。相對(duì)誤差計(jì)算對(duì)于小流量或小流速是沒有意義，不采用數(shù)值法的計(jì)算精度，利用流速相對(duì)誤差來評(píng)價(jià)指標(biāo)流速法。分別采用數(shù)值法和指標(biāo)流速法和計(jì)算相應(yīng)的歷時(shí)水流量，累計(jì)歷時(shí)90 min的水流量，實(shí)測水流量、計(jì)算水流量及其相對(duì)誤差如表2所示。

由表2可以看到，指標(biāo)流速法計(jì)算的水量相對(duì)誤差較小的原因是其數(shù)學(xué)模型，H-ADCP指標(biāo)流速法和H-ADCP數(shù)值法相對(duì)誤差分別為-0.12%和1.62%，該文達(dá)到1.62%相對(duì)精度具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語

固定式H-ADCP水流量可很好地服務(wù)于最嚴(yán)格水資源管理，采用指標(biāo)流速法、數(shù)值積分法實(shí)時(shí)計(jì)算流量，針對(duì)累計(jì)水流量測驗(yàn)精度是比瞬時(shí)流量測驗(yàn)精度更重要的參數(shù)，設(shè)置了H-ADCP參數(shù)、水位獲取參數(shù)和流量計(jì)算模塊等，流速采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，數(shù)值積分法流量的自動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了H-ADCP數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)程傳輸，具有較好的可擴(kuò)展性，更有意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃河寧.寬帶聲學(xué)多普勒技術(shù)用于灌區(qū)量水試驗(yàn)研究—固定式H-ADCP在線流量監(jiān)測及其流量計(jì)算[J].中國農(nóng)村水利水電，2007（11）：50.

[2] 周波，張國學(xué)，李雨.通用比降面積法流量測驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C]//水利量測技術(shù)論文選集（第九集）.鄭州：黃河水利出版社，2014.

[3] 李遠(yuǎn)青.H-ADCP在珠江三角洲思賢滘測流中的應(yīng)用[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，23（3）：18-20.

[4] 李云中，胡焰鵬，葉德旭.H-ADCP自動(dòng)流量監(jiān)測系統(tǒng)在長江三峽河段的應(yīng)用[C]//全國水文學(xué)術(shù)討論會(huì)，2004.

[5] WANG Fajun，HUANG He`ning.Horizontal acoustic Doppler current[C]// Water Engineering for the Future， Choices and Challenges.2005.