基于H-ADCP的河道斷面多層流速測量與流量計算

張國學 史東華 馮能操

摘要： 河道斷面流量準確、高效監測一直是水文在線監測的重點，為解決因斷面流速分布數據收集難度大，指標流速公式建模困難，現有在線測流技術普遍存在流量計算誤差偏大的問題，提出了一種基于H-ADCP河道斷面多層流速測量方法，并結合部分流量累加法給出了測量區和盲區的流量計算公式，以及基于此法的在線測流系統技術實現過程。以南水北調中線渠首陶岔水文站測驗斷面為例，將基于此法的流量計算成果和走航式ADCP實測流量成果進行了誤差分析。結果表明：此法構建的在線流量監測系統有較高的測量精度，時效性好，對H-ADCP流量在線監測應用推廣有較好的借鑒意義。

關 鍵 詞： H-ADCP; 多層流速測量; 斷面流量計算; 陶岔水文站; 南水北調中線工程

中圖法分類號： ?P332.4

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.012

0 引 言

流量在線監測是水文現代化發展趨勢[1-2]，當前大多數在線監測方法是基于指標流速法來監測的，即通過收集大量斷面流速分布資料，建立斷面平均流速與實時施測的特定點、特定水層、特定垂線的流速的函數關系式來推算斷面流量，實現流量在線監測[3]。此方法假定實測代表流速與斷面平均流速有穩定明確的函數關系，在函數構建過程中有兩個難點，一是代表流速選擇較為困難;二是代表流速與斷面平均流速之間的函數關系式構建較為困難，最終導致算出的在線流量與流速儀法測量結果相比有較大誤差。因此，流量在線監測系統投入運行前，需要開展大量的比測試驗，對函數關系式進行修訂、驗證[4-5]。另外河床沖淤變化也會引起斷面水流特性發生變化，進而導致代表流速與斷面平均流速之間的函數關系式不穩定[6]。

本文提出了一種H-ADCP的河道斷面多層流速測量方法和斷面流量計算方法，對斷面部分流量權重大的區域進行實測，對測量盲區部分進行合理估計，規避了指標流速法函數關系建立困難的問題，提高了測驗精度，同時本文還介紹了基于此方法的在線測流系統技術實現。

1 H-ADCP河道斷面流速流量測算原理簡介

本文引入H-ADCP河道斷面多層流速測量及斷面流量計算系統，基于部分流量累加法實現流量在線監測。此法通過把過水斷面劃分成若干個測量單元，分別測量各個單元面積Ai和單元平均流速Vi，其中i表示單元序號，斷面流量Q可表示為

Q= ?n i=1 AiVi （1）

式中：n表示單元總個數。

如圖1所示，矩形區域是H-ADCP可測量區域，對應部分流量記作Q測，其余測量盲區記作Q盲，斷面總流量Q可表示為

Q=Q測+Q盲 （2）

盲區包括表層區域、河底區域、岸邊區域，對應部分流量分別記作Q表，Q底，Q岸，盲區部分流量可以用上述流量之和表示，即：

Q盲= Q表+Q底+Q岸 （3）

1.1 實測區部分流量測算

單元格流速用H-ADCP實測獲取。如圖1實測區流量單元格為矩形，單元格的寬度B在H-ADCP中設定，單元格的高度H取決于H-ADCP分層測量時的層間距。

每個流速單元序號記作A（i，j），其中i表示水平測流線序號，最上層水平線記作1號線，往下依次遞增;j表示單元格垂向分割線序號，大斷面起點位置記作第1條垂線，向河對岸依次遞增。流速單元格A（i，j）為i號水平線與j 號垂線交點右下方的單元格。測量前單元格寬度已經預先設置，H-ADCP在大斷面上具有確定的位置坐標，因此測得到的各點流速在大斷面上有確定的位置坐標。以A（i，j）號單元格為例，其上邊線上有實測流速點v（i，j），下邊線上有實測流速v（i+1，j）?？梢杂蒙舷逻吘€上的流速平均值作為單元格流速。

那么單元格A（i，j）部分的流量：Q（i，j）=BH[v（i，j），+v（i+1，j）]/2;

實測單元格總流量為

Q測= ??m-1，n i=1，j=1 Q（i，j） （4）

式中：m表示流速測量總層數，n表示每層流速單元格的數量。

1.2 測量盲區部分流量測算

從圖1可以看出，岸邊以及河底部分并不是規則的矩形單元格，表層單元格高度小于劃定的單元格，這些單元格實測流速點有限，有的甚至沒有實測流速，不能直接用上述方法進行部分流量計算，這些測量盲區的流量通過合理估算得到。以表層部分流量為例進行說明，岸邊及河底估算方法類似。

1.2.1 表層部分流量計算

表層與H-ADCP實測的最上層距離最近，其平均流速與該實測層耦合關系最密切，可以建立表層部分平均流速V表與H-ADCP實測最上層平均流速V1的線性關系式。

V表=α表V1 （5）

式中：α表表示表層部分平均流速與H-ADCP實測最上層平均流速的線性換算系數;

V1通過H-ADCP實測的最上層各點流速取平均獲得，即V1= ??n j=1 v（1，j）/n;

表層部分面積A表可以根據斷面水位z、H-ADCP測量最上層的高程h1以及大斷面表計算獲得，即A表（z，h1），表層部分流量計算公式如下：

Q表=α表A表（z，h1） ??n j=1 v（1，j）/n （6）

其他盲區流量計算方法同理。

1.2.2 盲區流速換算系數

流速換算系數通過走航式ADCP實測數據經過計算得到。以H-ADCP表層測量盲區為例，在表層盲區面積A表已知的情況下，先用走航式ADCP測量出表層盲區的流量Q表，表層盲區平均流速可表示為V表=Q表/A表，代入式（5）即可算出表層流速換算系數α表，其它盲區流速換算系數可以參照上述方法求得[7]。也可以從走航式ADCP測量數據中，摘錄該盲區點流速數據，點個數3倍于H-ADCP測流單元格數，點均勻分布在盲區內。將這些測點流速進行算術平均，記作測量盲區的平均流速V表，代入式（5）也可算出表層流速換算系數α表，即

α表=V表/ V1 （7）

其他盲區流速換算系數計算方法同理。

1.2.3 盲區平均流速綜合換算系數

分別計算各個盲區流速換算系數，可以提高在線流量計算的精度，但是增加了流量計算的工作量，也增加了相關軟件開發難度。可以將各個盲區面積進行合并。設斷面過水面積為A（z），H-ADCP可測面積為A測，盲區總面積A盲可表示為

A盲= A（z）-A測

設走航式ADCP測量的斷面流量為Q走，且為斷面流量真值，H-ADCP測量盲區流量Q盲可表示為

Q盲= Q走-Q測 （8）

盲區平均流速V盲可表示為

V盲= （Q走-Q測）/ （A（z）-A測） （9）

拾取H-ADCP實測流速單元周圍各流速點，并求出這些點的流速算術平均值V周，盲區平均流速綜合換算系數α可表示為

α= V盲/ V周 （10）

基于此法斷面總流量Q可表示為

Q=Q測+αV周（A（z）-A測） （11）

2 在線流速測量系統技術實現

流速流量測算系統由斷面多層流速采集子系統和斷面流量計算子系統兩部分組成[8]。其中斷面多層流速采集子系統采集水位和斷面各個點流速，并將各點位置坐標一并匯編成點流速報文，傳遞給斷面流量計算子系統，計算子系統內置流量計算方法和河道斷面信息，根據接收的流速和水位信息，計算出斷面流量。

2.1 斷面流速采集子系統結構

斷面流速采集子系統結構如圖2所示。該系統主要由數據采集器、水位計、位置傳感器、H-ADCP、H-ADCP拖動設備等部件組成，各個部件作用如下。

數據采集器負責向水位計下發水位采集任務，收集水位數據，并根據水位情況向H-ADCP及其拖動系統布置測流任務，收集流速數據，最后將收集的水位、流速信息轉發給流量計算子系統。為了便于系統集成，本系統選用的水位計、位置傳感器、ADCP拖動系統的通信接口都為RS485總線接口，傳感器掛載在數據采集器的RS485總線接口上組成測控系統。數據采集器內部集成4G通信模塊，實現監測數據無線傳輸，以1幀或多幀的方式將斷面不同單元的流速信息上傳給流速計算系統。數據采集器也可以響應流速計算系統遠程下達的測量任務，并做好工作分解。

水位計測量水位，以便計算斷面過水面積，斷面流速測量方案通常由水位的高低確定。視測流斷面邊坡情況確定水位計的類型，一般選擇雷達水位計或者壓力式水位計，以穩定可靠投資經濟為基本原則。

位置傳感器用于感知H-ADCP的位置，用于定位H-ADCP在大斷面的坐標（P，h），P表示H-ADCP的起點距，h表示H-ADCP的高程，H-ADCP駐測當前層流速時，該層各點流速的高程坐標與H-ADCP的高程坐標相同，都為h。H-ADCP前方第一個流速點的坐標是（（P+L+B），h），其中L表示H-ADCP前方盲區寬度，B表示單元格寬度，含義與第1節相同，同理H-ADCP前方第n個流速點的坐標是（（P+L+nB），h）。系統配備的位置傳感器一般為軸編碼器，由圖2可知：拖動系統通過鏈條傳動，鏈條中部有換向齒輪。位置傳感器的感應軸固定在換向齒輪軸上，齒輪軸轉動的角度與鏈條走動的距離成比例，齒輪的轉向與H-ADCP移動的方向對應。安裝初期確定了H-ADCP的初始高程，結合位置傳感器記錄的位移，就可以推算出H-ADCP當前高程。

H-ADCP拖動設備實現將H-ADCP拖動到預定高程水層，如圖3所示，拖動設備由PLC控制器、伺服電機控制器、伺服電機、減速機、運載小車等5部分組成。H-ADCP固定在運載小車上，小車在軌道上做直線運動，伺服電機給小車提供運動的動力，小車運動方向、距離等停車位置信息由PLC控制器內置程序控制。

數據采集器向PLC下發位置調整命令后，PLC控制器收悉后向伺服電機控制器下發電機運行信號，伺服電機開始轉動，電機運行過程中同步向伺服電機控制器反饋狀態信號，如果接收到異常信號，則關停伺服電機，同時輸出告警信號，PLC控制器收到告警信號后，及時啟動內部保護機制，向數據采集器報告異常信息（如電機過載等），數據采集器將收到的異常信息報送到流量計算平臺，以便系統運行維護人員解除報警。系統配備減速機為蝸輪蝸桿減速機，用以保證運載小車以合理的速度運行，且當電機關停后能鎖住運載小車，避免因重力作用向下滑動。

為了避免運行期間H-ADCP位置出現累計偏差，系統配備了基點對準傳感器，系統每運行1 d，PLC控制器驅動運載小車運行到基點和基點對準傳感器校準1次，保證H-ADCP位置準確。

H-ADCP實現斷面各層各點流速測量。測量基于聲學多普勒頻移原理，傳感器發射的聲波脈沖遇到移動目標（水中顆粒物）反射后頻率發生變化，頻率變化量與移動目標速度成函數關系。假定水中顆粒物與水流速度相等，基于此法確定點流速;發射聲波脈沖和接收的反射聲波脈沖的時差與反射點和H-ADCP的距離成函數關系，基于此法確定相應點的位置。

2.2 斷面流速采集子系統設計要點

為保證有較高的測量精度，基于該法測流需要科學確定測流層數、測層位置，合理確定H-ADCP運行軌道長度，合理設置H-ADCP內部參數。

2.2.1 流速測驗層數和測層高程的確定

流速測驗層數和測層高程直接影響到流量測驗精度，需結合實際斷面和當前水位情況2個要素確定。因H-ADCP測量存在盲區，斷面流量由實測部分流量和盲區估算部分流量組成，盲區部分流量估算會有偏差，為了提高斷面流量測驗精度，實測部分面積應該盡量大，盡量占斷面過水面積的70%以上。

基于該方法，H-ADCP依次運動到各測層進行測量，每運動一步（從一個測層到下一個測層），通常歷時約30 s，每層測量歷時約90 s，以避免水的脈動對測量成果質量的影響。測量層數多耗時就長，為了兼顧精度和效率，一般最多測量5層;結合大斷面情況，層間距可等寬也可以不等寬。也可以借鑒流速儀5點測流法，通過斷面當前水位，依次計算出斷面相對平均水深0.2，0.4，0.6，0.8位置的高程，H-ADCP依次運行到上述位置進行測量。

另外，當水位很低、H-ADCP可運行的距離有限時，需視具體情況減少測量層數，一般最小層寬（測流單元格高度）不小于0.3 m。

為了減少測量層數提高測量效率也可以單層測量，單層測量位置可以用以下方法確定。控制器驅動程序構建前，用走航ADCP或者流速儀法測量斷面流量，反推斷面平均流速，然后在斷面上尋找測層平均流速與斷面平均流速最接近的特定層，作為H-ADCP的駐測層。在捕捉過程中可能會有多個水層和斷面平均流速接近，優先選擇距離層流速最大且靠近水面的測層，因為這樣的測層有效測量寬度最大，實測流速點最多。當水位變化后，這種特定流速層的高程會發生變化，需要動態調整，可以在高水位和低水位分別確定這樣的測層，依據這兩個高程建立水位與H-ADCP駐測高程的關系式，以簡化測次?；虿捎枚鄬訙y量與單層測量相結合的方式，內部程序依據最新多層測量結果確定單層測量時H-ADCP駐測高程[8]。

2.2.2 軌道長度的確定

軌道長度取決于可測最低層高程、可測最高層高程、岸邊坡度等3個因素。其中可測最低層高程和可測最高層高程應根據斷面情況及斷面多年水位變化特性確定?？蓽y最高層高程應取斷面多年最高水位值減去該水位級時H-ADCP最小淹沒深度（因為H-ADCP 測量時發射的聲波波束呈發散狀，波束中軸距離水面太近，側瓣波束運行一段距離后容易折射出水面，具體與河寬和傳感器的聲束的發射角有關）。當水位較低時，為保證最小淹沒深度，H-ADCP的測層高程也降低，低到一定程度時聲波波束側瓣波束剛抵達對岸位置接近觸底，此時的高程定義為可測最低層高程?？蓽y最高層高程和可測最低層高程區間為H-ADCP有效測量區間，通過確定的測量區間和岸邊坡度，即可確定軌道長度[9]。

2.2.3 H-ADCP其他測量參數的確定

和流量計算相關的參數主要包括測量盲區、單元格寬度、流速輸出格式等，這些參數一般通過水面寬來確定。當水面較寬，盲區和單元格可以適當設置寬一些，反之可以設窄一些。H-ADCP流速輸出主要有層平均流速和多點流速，因岸邊有測驗盲區，計算岸邊流量時需要用到岸邊最近點的流速，因此流速輸出設置為多點流速格式。

2.3 斷面流速采集子系統工作流程

圖4為斷面流速采集系統執行流程圖。執行采集任務時，數據采集控制器首先向水位計發送查詢水位命令，待收到水位計反饋的水位信息后，數據采集器根據內置測量算法，確定H-ADCP駐測位置高程和測量層數，再向伺服系統（H-ADCP 拖動系統）下發拖動指令，伺服系統收到數據采集控制器下發的命令后，發出拖動命令收悉回執。其后伺服系統根據命令指定的位置，開始拖動H-ADCP向目標位置運動，期間位置傳感器實時向伺服系統反饋H-ADCP的當前位置，直至到達目標位置，伺服系統向數據采集控制器發送拖動任務結束回執。數據采集控制器收到回執后，開始向H-ADCP發送測量命令，H-ADCP收到測量命令后開始測量，并反饋測量結果。數據采集控制器收到H-ADCP的測量數據后向H-ADCP發送停止測量命令，先將當前水位和H-ADCP高程發送到流量計算平臺（流量計算子系統），然后將當前層的各點流速報文發送到流量計算平臺。完成上述測量任務后，數據采集控制器內置程序布置新的測量任務，讓伺服系統拖動H-ADCP移動到新的測量層，完成其他水層流速測量，直到完成所有水層流速測量，如圖5斷面流速采集系統執行時序圖，單層測量周期為2 min，多層測量則需歷時多個測量周期。斷面流量計算子系統接收完所有目標水層流速數據后開始計算斷面流量。

2.4 斷面流量計算子系統

斷面流量計算子系統預先存貯大斷面數據以及河底、邊坡流速換算系數，系統內置第1節流量計算算法，當算法必需的計算參數收集齊全后，即啟動流量計算程序，輸出斷面當前流量。流量計算子系統收集的參數包括斷面水位、H-ADCP駐測各層流速時的位置（高程、起點距），流速點位置及流速等[10-11]。

斷面流量計算子系統嵌入了人機交互接口，便于用戶遠程實時拖動H-ADCP測量期望層的流速，或者從河底到水面密集測量更多層的流速樣本以提高斷面流量測量精度。人機交互接口是對數據采集器內置測量方法的完善和補充。

綜上所述，該流量在線測量系統工作模式分2種，即：①測量模式為現場自動測量的模式，該模式需將測量任務預先置入到數據采集器內部，程序控制自動執行。②測量模式為人工遠程控制模式，在該模式下，數據采集器不主動發布測量任務，人工通過斷面流量計算子系統實時發布測量任務，相關任務指令由數據采集器轉發給各個部件，執行測量任務。

3 實例驗證

采用上述方法，實測斷面點流速樣本比較豐富，且基于詳細的大斷面數據，計算相對復雜，一般通過計算機完成。限于篇幅，本文選擇斷面形狀相對規則的南水北調中線工程渠首陶岔水文站測驗斷面，進行了一次基于該方法的流量比測試驗，并對測驗結果進行了校驗分析說明。

3.1 陶岔水文站測驗斷面情況簡介

陶岔站測驗斷面位于渠首閘下1 300 m，渠道順直，水流順暢，流態平穩，受上游彎道影響較小。斷面處為混凝土明渠，渠道左岸邊坡長約31 m，渠底寬約10 m，右岸邊坡長約32 m，兩岸邊坡約18°。大斷面如圖6所示。

根據實測大斷面數據，擬合的水位Z與過水面積A公式的關系式為

A（Z）=3.144 4Z2-875.54Z+60 935 （12）

式中：R2=0.999。

3.2 流量測驗精度

3.2.1 實測區流量情況

水位為148.70 m時，過水面積為289.69 m2，最大水深7.6 m，相對深度0.6水層高程145.66 m，用走航式ADCP測得流量270 m3/s，同步用H-ADCP在測驗斷面實測7層流速數據，自水下1 m深度位置（高程147.70 m）記作第1層，層間距1 m，H-ADCP測流單元格寬度1 m，設置盲區為1 m，測驗結果如表1所列。

基于該法，實測區面積222 m2（表1中層間實測面積之和），盲區面積67.69 m2，實測區面積占過水面積的76.6%，實測部分流量209.1 m3/s（表1中部分流量之和）。

3.2.2 盲區流速及盲區流量情況

因為實測底層和表層更接近盲區，選取表層（0.953 m/s）和底層流速（0.771 m/s）均值作為盲區邊界平均流速，即（0.953+0.771）/2=0.862 m/s，

河底及邊坡為混凝土，通過查表岸邊系數取0.8，那么盲區部分流量為

67.69×0.862×0.8=46.68 m3/s，斷面流量為209.11+46.68=255.8 m3/s。

3.2.3 精度分析

以走航式ADCP測得的流量270 m3/s為真值，基于此法的多層流速流量測量結果為255.8 m3/s，相對誤差為-5.3%。

第3測層高程最接近相對水深0.6的位置，假定該層平均流速近似等于斷面平均流速，基于此原理的單層流速流量289.69×0.971=281.3 m3/s，同上基于此算法的相對誤差為4.2%。

綜合分析上述測驗結果可以看出：2種流量測算方法都有較高精度，雖然第1種流量計算方法相對誤差稍大，這與岸邊系數的選取有較大關系，可以用上文所述方法，H-ADCP的盲區流量用走航式ADCP實測，然后反推岸邊系數，待斷面水位（或流量）發生一定變化后，再用率定的岸邊系數進行驗證。

4 結 論

（1） 基于該法實測流速樣本豐富，測點覆蓋過水斷面大部分位置，實測部分流量具有較高測量精度。

（2） 測驗盲區平均流速換算系數通過走航式ADCP和H-ADCP實測數據計算獲得，具有較高可信度，盲區部分流量具有較高精度。

（3） 該法應用部分流量累加法施測流量，與基于指標流速法測流系統相比，流量計算建模容易，前期不需要收集大量的高、中、低水測流樣本，即便斷面特性發生變化，模型參數矯正容易，斷面流量測驗精度更高，且投產快。

（4） 整套測流系統靠近岸邊安裝，與走航式ADCP以及纜道測流方法相比，具有較高的安全性，更高的測流效率，適合流量在線測量，符合當今水文行業巡測發展趨勢。

（5） 本文流量校驗分析選取的測流斷面相對規整，實際測量層數為7層，對于天然河道，需要根據實際情況科學確定H-ADCP軌道的安裝位置、測量層數、層間距，以提高測量精度和測量效率。

（6） 本系統對斷面特性有一定要求，適合水面寬在8～150 m，斷面平均水深在1 m及以上的河流流量測驗。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

張國學，史東華，馮能操.

基于H-ADCP的河道斷面多層流速測量與流量計算

[J].人民長江，2021，52（8）：78-83，132.

Multi-layered velocity measurement and discharge calculation method

of river section based on H-ADCP

ZHANG Guoxue，SHI Donghua，FENG Nengcao

（ Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Accurate and efficient monitoring of river cross-section discharge has always been the focus of online hydrological monitoring.In order to solve the problems，such as difficult to collect distributed data of river cross-section velocity and tough to build model for index velocity formula，large error in the existing online current flow measurement technology，we proposed a multi-layered velocity measurement method based on H-ADCP.The flow calculation formulas for the measured and blind areas are provided by the partial flow accumulation method.And the implementation process of on-line flow measurement system based on this method is introduced.Taking the test section of the Taocha Hydrologic Station at the head of the middle route of South to North Water Diversion Project as an example，we carried out error analysis on discharge calculation results based on this method and that based on navigable ADCP.The results show that the online flow monitoring system built by this method has high measurement accuracy and good timeliness，and it has a good reference to the application of H-ADCP used in flow on-line monitoring.

Key words：

H-ADCP;multi-layered velocity measurement;section discharge calculation;Taocha Hydrologic Station;Middle Route of South to North Water Diversion Project