宜昌站H-ADCP流量關(guān)系率定及應(yīng)用

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

宜昌站位于長江中游干流，自建站以來斷面水位流量關(guān)系主要以繩套線性和單一線性為主。多年來，河段上游相繼建成葛洲壩和三峽水利樞紐，樞紐調(diào)度對水沙調(diào)節(jié)影響較大，增加了把握外業(yè)觀測時機(jī)的難度、測驗(yàn)成本和勞動強(qiáng)度。受三峽、葛洲壩水利樞紐工程(以下簡稱“兩壩”)聯(lián)合調(diào)度影響，宜昌站水位流量關(guān)系曲線局部變形或扭曲更加頻繁，具體表現(xiàn)為：受水庫蓄放水而產(chǎn)生的附加比降影響，水庫放水時，水位上漲，流速增大，流量也增大；蓄水時，則完全相反。水位流量關(guān)系線表現(xiàn)為漲水點(diǎn)偏右，落水點(diǎn)偏左，峰、谷點(diǎn)居中。如果不間斷連時序測驗(yàn)流量，水位流量關(guān)系表現(xiàn)為連續(xù)繩套，對流量測驗(yàn)時機(jī)的把握和數(shù)據(jù)代表性等要求更高。

目前，宜昌站采用連時序法定線，單一線與繩套曲線相結(jié)合，部分時間段在單一線上推流，其他時間段按照繩套曲線推流。宜昌站常規(guī)流量測驗(yàn)方式有2種：走航式ADCP和普通流速儀測流，以走航式ADCP測流為主。采用普通流速儀測流時測驗(yàn)時間一般為120 min；采用走航式ADCP施測時，時間一般為15～30 min。近年來，每年測流80～100次仍然難以較好控制水位流量關(guān)系。為了早日實(shí)現(xiàn)流量自動化測量，有必要對H-ADCP流量關(guān)系進(jìn)行率定，充分發(fā)揮儀器效益。

2 測驗(yàn)資料情況

2016年宜昌站引進(jìn)了CM300型H-ADCP進(jìn)行試驗(yàn)分析。H-ADCP監(jiān)測平臺設(shè)置在流量斷面左岸，儀器安置在高程39.20 m處。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[1-2]。H-ADCP可測量水平層面多單元流速，最多可達(dá)128個單元，水平測量范圍最寬可達(dá)200 m。內(nèi)置溫度傳感器縱、橫搖角度傾斜計(jì)、超聲波水位計(jì)、ADCP換能器等多種傳感器，可同時自動監(jiān)測流速、流量、水位、水溫等水文要素[3-4]。目前，H-ADCP的工作方式是連續(xù)測量，每15 s儲存一個原始數(shù)據(jù)。通過有線電纜連接到現(xiàn)場計(jì)算機(jī)，再通過微波對接轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，傳輸?shù)睫k公室計(jì)算機(jī)，是集采集、存儲、傳輸功能的在線流量監(jiān)測系統(tǒng)。

2017年2月15日開始正式收集資料。由于H-ADCP儀器安置在固定高程39.20 m處，當(dāng)水位接近40.00 m左右時，H-ADCP距離水面距較短，探頭發(fā)射信號存在一定角度，水平測量范圍較小，在枯季經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。因此，僅分析3～10月資料，其他月份需要調(diào)整儀器高度后，重新收集資料分析。截至2018年6月，共收集了11個月數(shù)據(jù)。

根據(jù)2017年收集的3～10月數(shù)據(jù)資料，建立指標(biāo)流速與斷面平均流速線性回歸模型，并結(jié)合水位和河底高程求得斷面流量。對于2018年H-ADCP測得的指標(biāo)流速，用根據(jù)2017年數(shù)據(jù)建立的線性關(guān)系推流，與常規(guī)測驗(yàn)方法推求流量比較，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇浴?/p>

3 模型求解

H-ADCP是基于所測指標(biāo)流速與常規(guī)測流法實(shí)測斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，通過指標(biāo)流速推求斷面平均流速，再用斷面平均流速與斷面面積求得斷面流量：

Q=V斷A

(1)

式中，V斷為斷面平均流速，m/s；A為斷面面積，m2；Q為斷面流量，m3/s。

其中，斷面面積是水位的函數(shù)：

A=f(Z)

(2)

式中，Z為斷面水位，m。

根據(jù)斷面水位結(jié)合最新實(shí)測大斷面數(shù)據(jù)，推算斷面面積，見圖1。比較宜昌站2014～2017年斷面可發(fā)現(xiàn)，近幾年斷面略有沖淤變化，基本穩(wěn)定，見圖2。

圖1 水位-面積關(guān)系

圖2 2014～2017年斷面沖淤變化

由圖1推求水位與斷面的關(guān)系式為

A=742.44Z-21 976

(3)

斷面平均流速可表示為某一指標(biāo)流速的函數(shù)

V斷=f(Vi)

(4)

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提出指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系，H-ADCP關(guān)系推薦方程通常為線性回歸方程：

V斷=B0+(B1+B2)Vi

(5)

式中：Vi為指標(biāo)流速，m/s；B0、B1、B2均為回歸系數(shù)。

宜昌站H-ADCP測量時的參數(shù)設(shè)置：沿水平方向，每一深度單元尺寸為3 m，深度單元個數(shù)為50個，空白距離為2 m，第一層深度單元中心距H-ADCP換能器3.5 m，即可測量的寬度范圍為離儀器3.50～153.5 m，共150 m。

2017年3～10月H-ADCP收集資料期間，宜昌站開展常流量測驗(yàn)60次，其中流速儀測流5次，ADCP測流55次，測得最小流量為6 740 m3/s，最大流量為30 700 m3/s。

在測流對應(yīng)時段內(nèi)，取不同單元層組合(距儀器探頭不同距離的水深組合)1-5、1-10、2-4等，例如1-5單元組合指的是3.50～15.5 m水平層范圍內(nèi)的指標(biāo)流速。通過分析不同距離、長度的單元組合形式，與60次常規(guī)測驗(yàn)的斷面平均流速分別建立如圖3所示線性關(guān)系，從中選擇關(guān)系最好的組合。不同單元組合方式建立的線性關(guān)系回歸系數(shù)見表1。

圖3 1-5單元組合指標(biāo)流速與斷面流速關(guān)系

不同組合方案指標(biāo)流速-斷面平均流速公式相關(guān)系數(shù)1-5單元V斷=1.163 Vi +0.6450.8951-10單元V斷=1.034 Vi +0.7040.8521-15單元V斷=0.919 Vi +0.7580.8321-30單元V斷=0.727 Vi +0.9460.7491-40單元V斷=0.682 Vi+1.0110.6952-4單元V斷=1.177 Vi +0.6050.9042-7單元V斷=1.085 Vi +0.6680.8632-9單元V斷=1.035 Vi +0.6940.8482-30單元V斷=0.714 Vi +0.9530.7422-40單元V斷=0.672 Vi +1.0170.6892-45單元V斷=0.673 Vi +1.0370.665

表2 不同組合方式計(jì)算流量與連時序整編流量相對誤差統(tǒng)計(jì)

擬合利用相關(guān)性較好的2-4、2-7、2-9、1-10、1-5單元組合的指標(biāo)流速分別推算斷面平均流速，再用水位計(jì)算出斷面面積得到全年的流量數(shù)據(jù)。通過南方片2.0，采用連實(shí)測流量過程線法對這5種單元組合方式分別進(jìn)行整編，得出的月平均流量數(shù)據(jù)與宜昌站常規(guī)測驗(yàn)計(jì)算的月平均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見表2。

從表1、2 可以發(fā)現(xiàn)，1-5單元組合相關(guān)性系數(shù)較高，整編計(jì)算的月平均流量相對誤差較小。選擇1-5單元組合指標(biāo)流速與斷面流速建立線性圖(見圖3)。對1-5組合指標(biāo)流速與斷面流速建立的關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，系統(tǒng)誤差為-0.24%，由于存在單次相對誤差過大的情況，其相對不確定度為15.2%。對圖3的關(guān)系線分別進(jìn)行符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)(見表3)，精度符合《水文資料整編規(guī)范》有關(guān)要求。

表3 指標(biāo)流速與斷面流速關(guān)系線3項(xiàng)檢驗(yàn)

得到指標(biāo)流速推求斷面流速方程式:

V斷=1.163Vi+0.645

(6)

由式(3)、(6)可得H-ADCP流量監(jiān)測系統(tǒng)流量關(guān)系式為

Q=(1.163Vi+0.645)×(742.44Z-21976)(7)

4 成果應(yīng)用

基于2017年數(shù)據(jù)率定的關(guān)系公式(7)，對2018年3～5月數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，采用連實(shí)測流量過程線法進(jìn)行整編，與宜昌站常規(guī)測驗(yàn)方法連時序法整編流量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，H-ADCP推算流量與常規(guī)測驗(yàn)方法計(jì)算流量過程吻合，且趨勢一致。

將上述方法步驟計(jì)算的H-ADCP流量整編數(shù)據(jù)與宜昌站常規(guī)測驗(yàn)整編結(jié)果對比統(tǒng)計(jì)，月、年徑流量誤差在±4%以內(nèi)。

表4 2018年H-ADCP整編流量水量統(tǒng)計(jì)

將2018年5月最大流量附近的時段典型洪水過程進(jìn)行比較，具體情況見圖4。

圖4 2018年5月宜昌站最大流量附近流量過程線

宜昌站計(jì)算實(shí)例表明，該模型可靠且定線精度高，可實(shí)現(xiàn)宜昌站實(shí)時流量監(jiān)測，為特殊水情的常規(guī)流量測次安排提供參考。

5 結(jié) 語

通過2017年收集的H-ADCP數(shù)據(jù)，建立了實(shí)時指標(biāo)流速監(jiān)測值與斷面平均流速實(shí)測值的線性回歸模型，結(jié)合水位與面積關(guān)系建立H-ADCP流量實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)。采用流量過程線法進(jìn)行整編，經(jīng)過驗(yàn)證，結(jié)果誤差較小。2017年率定的線性關(guān)系在2018年的實(shí)用效果較好，與其他方法計(jì)算的流量過程吻合，且趨勢一致。

在兩壩聯(lián)合調(diào)度影響下，宜昌站水位流量關(guān)系曲線局部變形或扭曲更加頻繁，H-ADCP實(shí)現(xiàn)實(shí)時

在線監(jiān)測可彌補(bǔ)因?yàn)闇y次布置不足造成的誤差，可進(jìn)一步檢驗(yàn)測流定線的合理性。

枯水期H-ADCP換能器距離水面距離較短，儀器探頭發(fā)射信號存在一定角度，水平測量范圍較小，經(jīng)常出現(xiàn)不正常數(shù)據(jù)，需要調(diào)整儀器安裝高度后進(jìn)一步分析研究。