都安水文站水平式ADCP流速關(guān)系率定分析

韋新一

（河池水文中心，廣西 河池 547000）

1 測站概況

都安站位于都安縣澄江鄉(xiāng)紅渡村紅水河河段左岸，站以上流域面積121 381 km2，是一類精度站，屬國家重要水文站。都安站設(shè)立于1936年，1943年8月后停測，1947年12月1日恢復(fù)，1951年4月停測，1951年 7月 25日恢復(fù)設(shè)為水位站，1958年恢復(fù)為水文站，1991年1月將斷面下遷約6 km，改稱都安站，該站測驗(yàn)河段順直、河床穩(wěn)定、主流穩(wěn)定，河段兩岸為高山峽谷，河寬在60～150m之間，河床由沙礫組成，左、右岸以巖石構(gòu)造為主，斷面無分流、漫溢現(xiàn)象。監(jiān)測要素有：水位、流量、含沙量、降水量、水面蒸發(fā)量、水溫、岸溫，2007年10月起，水位、降水量采用自動監(jiān)測，流量監(jiān)測以水文纜道流速儀法為主，走航式ADCP為輔。2010年5月起，流量采用水平式ADCP在線自動監(jiān)測。

2 設(shè)備安裝調(diào)試

2.1 設(shè)備引進(jìn)

因原用水平式ADCP 設(shè)備老化功能衰減，2017年4月重新購置安裝新設(shè)備，為美國RDI 公司生產(chǎn)的ChannelMaster600型聲學(xué)多普勒流速儀（簡稱CM型H-ADCP）下稱ADCP，該儀器是RDI 公司新一代ADCP產(chǎn)品，儀器同時配有壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、指標(biāo)流速探頭、泥沙濁度探頭、水溫度探頭，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2 設(shè)備安裝

基于河流特性、儀器性能和要達(dá)到安裝的目的要求，采用固定式水平安裝在基本斷面左岸（測流斷面下游約5 m）第四臺測井邊，在測井邊上安裝固定升降支架，儀器固定在支架上，起點(diǎn)距約51.2 m，儀器安裝高程為109.60 m，水平式ADCP 儀器安裝位置圖見圖1。

圖1 水平式ADCP儀器安裝位置圖

2.3 儀器調(diào)試與參數(shù)設(shè)置

儀器調(diào)試縱搖、橫搖分別為：-0.24°和0.12°。在正常運(yùn)行期間縱搖、橫搖均小于±0.5°，符合精度要求。測流系統(tǒng)采用的流量測驗(yàn)軟件為流量通（QMonitor-H），版本為5.0。儀器完成安裝后，初設(shè)的主要參數(shù)為：指標(biāo)流速采樣單元5～140 m；采樣單元設(shè)置為128個，單元尺寸為1 m；流層18個，每流層6 m；采樣間隔300 s；采集一次樣品，盲區(qū)5 m。

3 比測及率定分析

3.1 比測率定方法

比測率定的實(shí)質(zhì)和目標(biāo)是建立指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系，即Vi～Vm關(guān)系方程。其中，斷面平均流速采用流速儀法、走航式ADCP 法相結(jié)合測定；指標(biāo)流速采用水平式ADCP在線監(jiān)測。

在斷面平均流速測定中，因測流斷面正常水面寬83～148m，流速儀法主要布置10～20 條測速垂線，兩點(diǎn)法，借用斷面，測速歷時100 s以上；而走航式ADCP法，每次按兩個測回，通過取平均測定。

在指標(biāo)流速測定中，儀器的水下?lián)Q能器水平方向裝在高程為109.60 m固定位置，向河對岸水平發(fā)射超聲波，測得某一段單元長度內(nèi)的平均流速。以5 min/次進(jìn)行實(shí)時指標(biāo)流速監(jiān)測，監(jiān)測實(shí)時上傳到流量監(jiān)測網(wǎng)站。

3.2 數(shù)據(jù)收集

試運(yùn)行正常后，收集2017年5～12月共127份流速儀法、走航式ADCP法實(shí)測流量，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 水平式ADCP與流速儀法和走航式ADCP測法流速對比

圖2 水平式ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖

3.3 率定及方案比選

根據(jù)上表比測數(shù)據(jù)，使用流量率定軟件定線通操作繪制水平式ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖（如圖2），其關(guān)系呈明顯的線性關(guān)系。

從圖2可以看出一元二次多項(xiàng)式擬合的精度最好，相關(guān)系數(shù)0.99 440，系統(tǒng)誤差-0.2 282，系統(tǒng)不確定度12.12，系統(tǒng)偏差0.000，曲線標(biāo)準(zhǔn)差0.0 474，即：V=0.0 549+1.0 349Vi-0.0 663Vi2。

4 實(shí)測流量成果對比分析

4.1 流速成果對比分析

將水平式ADCP 指標(biāo)流速代入V=0.0 549+1.0 349Vi- 0.0 663Vi2，計(jì)算對比水平式ADCP 與實(shí)測127次流量各測次時間內(nèi)水平式ADCP的斷面平均流速Vm，借用流速儀測流斷面面積和走航式ADCP 的同步面積計(jì)算水平式ADCP 測驗(yàn)流量QADCP，與實(shí)測流量成果對比見表2。

表2 水平式ADCP流量與實(shí)測流量比較分析表

4.2 流量成果對比分析

將流速儀測法和走航式ADCP測法的流量與計(jì)算水平式ADCP 流量QADCP（借用各實(shí)測次的斷面面積進(jìn)行計(jì)算），進(jìn)行3種檢驗(yàn)，檢驗(yàn)情況見表3。檢驗(yàn)結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)差為5.4%，隨機(jī)不確定度為10.8%，系統(tǒng)誤差為0.0%，說明線型合理，檢驗(yàn)符合要求。

表3 實(shí)測流量與水平式ADCP流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

5 6 7 8 9 1 0 11 12……120 121 122 123 124 125 126 127樣本容量：符號檢驗(yàn)：適線檢驗(yàn)：偏離數(shù)值檢驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)差：164 146 147 53 162 174 175 168……124 76 129 131 128 132 127 126 N=127 u=0.35 U=-0.62|t|=0.06 Se=5.4%111.64 111.77 111.85 112.10 112.17 112.56 112.98 113.31……113.94 128.99 129.24 129.35 129.61 129.66 130.21 130.75 405 520 471 708 528 601 753 915……6500 6510 6640 6690 6890 6870 7110 7660 514 492 449 630 649 726 876 1030……6471 6396 6706 6670 6928 6672 6927 7311-21.21 5.69 4.90 12.38-18.64-17.22-14.04-11.17……0.45 1.78-0.98 0.30-0.55 2.97 2.64 4.77-21.24 5.66 4.87 12.35-18.67-17.25-14.07-11.20……0.42 1.75-1.01 0.27-0.58 2.94 2.61 4.74符號交換次數(shù)：66合格451.14 32.04 23.72 152.52 348.57 297.56 197.96 125.44……0.18 3.06 1.02 0.07 0.34 8.64 6.81 22.47正號個數(shù)：66允許：1.15（顯著性水平 a=0.25）免檢允許：1.65（顯著性水平 a=0.10）隨機(jī)不確定度：10.8%合格系統(tǒng)誤差：0.0%

4.3 時段徑流總量對比分析

利用傳統(tǒng)測驗(yàn)整編方法、水平式ADCP 實(shí)時流量整編方法所計(jì)算的不同時段徑流總量進(jìn)行對比分析（見表4）。結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)對比均低于2%，說明分析的數(shù)據(jù)合理、定線方法、推流正確可靠。相關(guān)公式V=0.0 549+1.0 349Vi-0.0 663Vi2，推求出流量結(jié)果達(dá)到整編規(guī)范要求。

表4 時段徑流量對比表

5 率定質(zhì)量總體評定

（1）率定數(shù)據(jù)采集從2017年5月11日～12月31日，在此期間水平式ADCP測速設(shè)備運(yùn)行正常，流量信息瞬時采集連續(xù)完整、合理可靠。水平式ADCP與流速儀測法和走航式ADCP 測法共比測127 份次，得到較為完整的流量過程（Q～t）。

（2）率定數(shù)據(jù)完整、全面，涵蓋了都安站推流各項(xiàng)要素，經(jīng)過對比、計(jì)算、分析、整編，各種特征流量成果合理，年徑流總量誤差為1.04%。

（3）用水平式ADCP 方法采集的指標(biāo)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行整編，流量成果質(zhì)量合理可靠，避免了常規(guī)測流～定線方法造成的測驗(yàn)不完整和人為定線誤差，達(dá)到了流量實(shí)時在線監(jiān)測的目的。

（4）水平式ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)系數(shù)0.99 440、相關(guān)公式：V=0.0 549+1.0 349Vi-0.0 663Vi2，適用水位范圍111.00～130.75 m。可用于都安站2018年度流量測驗(yàn)和資料整編，解決該站長期受水利工程調(diào)節(jié)影響、水流條件復(fù)雜的難題。

6 結(jié)語

根據(jù)以上分析，在都安水文站使用聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行流量在線監(jiān)測是可行的，并且是必要的。與傳統(tǒng)測流儀器相比，具有不擾動流場、測驗(yàn)歷時短、操作簡便、連續(xù)性強(qiáng)、易于管理等特點(diǎn)，不但可以直接測出河流斷面流層的流速分布情況，而且可以通過在線監(jiān)測功能取得河流斷面實(shí)時的流速變化過程，經(jīng)過軟件處理，進(jìn)行流量資料整編，能取得較高質(zhì)量的流量成果。因而十分適合在類似于都安水文站這類受水利工程調(diào)節(jié)影響、水流條件復(fù)雜的河段中進(jìn)行流量監(jiān)測。