基于H-ADCP多項式法與結點法在黃龍灘站的整編推流探討

周文靜，郭 藝，蔣四維

（長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局,湖北 襄陽 441021）

1 H-ADCP工作原理

H-ADCP在線流量推算原理是基于H-ADCP采集的若干單元代表流速與流速儀法或走航式ADCP施測計算的斷面平均流速建立相關關系,通過H-ADCP的代表流速平滑計算出斷面平均流速,再以斷面平均流速與相應過水斷面面積相乘推求出斷面流量,這種方法稱為代表流速面積法,也稱為相關分析法或回歸法。基本原理是：

斷面流量等于斷面面積乘以斷面平均流速,即：

斷面面積通常可表示為水位的函數,即：

斷面平均流速可表示為某一代表流速的函數,即：

式中：Q為斷面流量,m3/s；A為斷面面積,m2；V為斷面平均流速,m/s；Z為水位或水深,m；Vx為代表流速,m/s。

代表流速法關系建立后,從H-ADCP在線流速監測數據中提取代表流速,即可根據線性或非線性相關關系推求斷面流量,實現流量在線監測。系統界面見圖1。

圖1 H-ADCP報汛自動處理系統界面

2 黃龍灘水情特性

黃龍灘水文站為長江流域漢江中游堵河基本控制站。基本水尺斷面上游約3.4 km建有黃龍灘水電站,約3.1 km有大、小峽從左岸入匯；下游約0.5 km有犟河從右岸入匯。本站受黃龍灘電站發電、泄洪和上、下游入匯河流以及丹江口水庫回水等多重影響。

本站所處的堵河流域位于鄂西北漢江右岸,地跨陜西、湖北兩省,流域呈樹枝狀,整個流域處于山區丘陵地帶,植被狀況良好。堵河是漢江中游段的最大支流,主河道長354 km,平均坡降4.81%,流域面積12430 km2。水文站位置見圖2。

圖2 黃龍灘水文站位置示意圖

流域地處亞熱帶季風區,氣候溫和濕潤,多年平均降水量800 mm,水量較豐沛；但年內分配不均,5 月～10月徑流量占全年70%左右,年際變化較大。流域洪水由暴雨形成。

測驗河段順直長約800 m,右岸為土質,左岸系石砌公路路基,岸邊有亂石。河床由卵石夾沙組成,沖淤不大。上游3.4 km有黃龍灘水庫（電站）；3.1 km有大、小峽自左岸匯入,本地區降暴雨時,有山洪暴發,是本站年最大含沙量的來源；上游0.9 km有襄渝鐵路大橋。下游0.5 km有犟河自右岸入匯,該河漲水時,對本站低水有明顯頂托影響；下游0.8 km有公路橋橫跨在有270 度轉角的彎道頂點。

在測流斷面下游約200 m處有一沙灘,當水位在160 m以上全部淹沒,在該水位以下則水流被分為兩股。水位在159.50 m以下時,水流由左槽出流,河槽呈V型,河底呈倒坡。

當本站不受丹江口水庫變動回水影響時,測驗河段各級水位流量關系控制良好；當丹江口水庫蓄水至159.50 m以上時測驗河段受回水頂托影響。

3 代表流速的率定

H-ADCP整編推流流程見圖3。

圖3 H-ADCP整編推流流程圖

受南水北調丹江大壩蓄水影響,2017 年9 月以后本站處于變動回水區,原有測站特性發生變化,水位流量關系復雜,因此開展本實驗,以探索H-ADCP在本站復雜水流特性下作為一種流量測驗基本方法的可行性,實現本站流量的實時監測,完整控制流量變化過程,提高水文監測的技術水平,推進水文現代化的進程。

黃龍灘水文站回水頂托期間,在收集代表流速采集樣本的同時,采用RS-M9 走航式ADCP進行流速流量測驗,每次測驗時共施測2 測回（4 次）,平均歷時一般在20 min以內；水位漲落急劇變化時采用1 個測回（2次）。通過RiverSvrveyor Live軟件計算在GGA或BT模式下的實測流量、斷面面積和斷面平均流速。根據測得流量和過水斷面面積求得斷面平均流速,從而建立代表流速與斷面平均流速的相關關系。見圖4～圖6。

圖4 H-ADCP安裝位置示意圖

圖5 走航式ADCP流速分布

圖6 走航式ADCP航跡

2019 年8 月,丹江口水庫庫區水位不斷上漲,黃龍灘水文站受回水頂托影響,原本的臨時曲線法無法滿足日平均流量和各項特征值統計的推求。從8月13日至8月26日,共施測流量13次,水位級覆蓋范圍160.56 m～162.30 m,基本完整收集到黃龍灘水文站受回水頂托影響逐漸增強的過程。通過對H-ADCP收集到的數據質量進行分析,發現在距離安裝H-ADCP的 19 m處旁瓣波束觸底,回波強度增大,另庫區水位不斷上漲,綜合考慮黃龍灘水文站自身水位陡漲陡落特性,代表流速在單元格3-7內較為穩定。固選定3-7單元格內代表流速與斷面平均流速建立相關關系。見圖7～圖9。

圖7 黃龍灘水文站與庫區水位過程對照

圖8 H-ADCP回波強度

圖9 H-ADCP代表流速棒

共建立一元一次,一元二次,一元三次多項式組及節點法四種關系推求流量。其中一元一次,一元二次,一元三次多項式組采用EXCEL自帶插入散點圖生成趨勢線功能進行率定,而結點法則采用水文資料整編系統HDP5.0 進行率定生成。水文資料整編系統HDP5.0 繪線功能見圖10。黃龍灘回水頂托實測流量成果見表1。

圖10 水文資料整編系統HDP5.0繪線功能

表1 黃龍灘回水頂托實測流量成果表

4 誤差分析

多項式法代表流速關系見圖11,節點法代表流速關系見圖12。

圖11 多項式法代表流速關系圖

圖12 結點法代表流速關系圖（圖中橫坐標為斷面平均流速，縱坐標為代表流速）

多項式公式見表2,推流方法三性檢驗及誤差統計見表3,多項式法與結點法綜合對照見圖13。

表2 多項式公式

表3 推流方法三性檢驗及誤差統計

圖13 多項式法與結點法綜合對照

根據《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）和《水文測驗補充技術規定》,符號檢驗時α取0.25, 應小于；適線檢驗時α取0.05,應小于1-α=1.64；偏離檢驗時t取0.10,|t|應小于。由上述統計結果可知,四種方式均符合三性檢驗。

由于一元一次多項式為直線,所以流速相關關系局部離散較大,一元二次和一元三次多項式在參數變多的情況下相關系數依次遞增,而結點法標準差和隨機不確定度最小。雖然多項式法也有較好的相關關系,但在處理小流速延長時,受多項式法功能限制,不能很好處理小流速部分代表流速過程,在實際應用中影響了小流速流量過程的推求。而結點法由于HDP5.0 強大的繪線結點修改功能,可以靈活修改處理小流速部分代表流速曲線,使小流速部分推流情況更加符合實際流速過程,從而推求的流量過程與實際過程相符。所以選用結點法進行流量推求時誤差最小。

如圖14與圖15所示,結點法在推求小流速過程上明顯更符合測站水情。

圖14 多項式法小流速過程

圖15 結點法小流速過程

5 結論

由于EXCEL并非專門水文整編計算工具,在進行三性檢驗,推求流量以及對代表流速和斷面平均流速相關關系進行局部微調時存在計算量大、操作繁瑣等諸多不便之處,對于曲線的上下延長趨勢難以人為干預,無法適應復雜條件下的代表流速和斷面平均流速相關關系建立,可能造成推流過程局部失真。而結點法可以很好的解決這一局限性。推流過程與實際情況更加相符,而且和目前使用水文資料整編系統HDP5.0 程序對接方便,從而方便快捷地應對受水利工程影響條件下流量過程的推求。