H-ADCP在城市智慧引調水工程中的應用＊

徐煊 李樹森 楊興旺

（南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇南京 211100）

0.引言

在智慧引調水工程中，最為重要的基礎感知設備是建立在城市河網各節點節制閘、排澇閘的H-ADCP流量站點，它們能夠實時有效地測量河道流量數據，給大數據分析提供準確的數據支撐，同時給防洪排澇工作提供決策支持，有利于區域水資源合理的規劃治理[1]，對智慧水利工程起促進作用。本文旨在研究H-ADCP在城市智慧引調水工程中的應用，對其精確性和可靠性進行實驗驗證。

1.H-ADCP測流

聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）面世于20世紀70年代末，隨著聲波換能器的不斷發展進步，國際上出現了多類型的ADCP，大型海洋研究項目如TO-GA，WOCE，WEPOCS 等都使用了ADCP，在它當時也被海委會正式列為4種新型先進海洋觀測儀器之一[2]。

H-ADCP是指水平固定式聲學多普勒流速剖面儀，相較于傳統測流儀器，它具有測量精度高、安裝簡便等多個優點。根據工程經驗和設備參數來看，H-ADCP適用于流道順直，水流平穩，無紊流區的明渠河道中，而城市智慧引調水工程中，城區河道均為人工襯砌河道，符合H-ADCP使用的環境要求，能夠充分發揮其測流的準確性和可靠性。本文使用的H-ADCP是國電南瑞科技股份有限公司自主研發的設備NDCP3090H。

2.率定分析

2.1 分析方法

為研究H-ADCP在城市智慧引調水工程中測量的可靠性和精確性，本文選取引調水工程中主干河道節制閘的實測流量站進行測流精度率定比測實驗分析。根據工程建設要求和水文測量規范，測流設備安裝位置距離上下游水工建筑物在5倍河道寬度以上，設備聲波發射器的俯仰角和傾斜角在±0.5°以內，聲波方向垂直于河流流向。對照率定使用的設備是TRDI走航船，性能參數符合測流規范，在率定實驗中廣泛應用。根據傳統指標流速法的原理，利用H-ADCP測量的流速為指標流速，走航式ADCP測量的流速作為實測流速，建立回歸關系。由于實驗所在河道淤積較少，斷面為規則斷面，且TRDI走航式ADCP與NDCP3090H型H-ADCP 設備的測流斷面為同一斷面，所以本文對流量數據進行線性回歸分析，滿足《SL/T 247-2020水文資料整編規范》中測流定線要求。同時根據比測產品性能和水文行業規范要求，本文采用一元線性方法對指標流量和對照流量進行回歸關系定線和比測率定分析。

2.2 比測率定

本次比測率定分析實驗選取城市河道節制閘閘前河道流量站進行流量比測率定實驗，確保比測實驗符合水文觀測規范，實驗結果能夠驗證NDCP3090H型H-ADCP在城市智慧引調水工程中測流的精確性和可靠性。由于比測實驗時間為4月，城市水資源緊缺，閘門放水管控嚴格，本次只進行常水位的流量比測率定，總共70個測次。通過比測實驗得到對應流量數據，以此進行回歸定線，得到H-ADCP指標流量和斷面流量的關系公式：QP=0.9662Qi，相關系數R2=0.9912，式中，Qi表示指標流量，Qp表示斷面流量。

2.3 檢驗分析

根據《SL/T 247-2020水文資料整編規范》[3]對實驗數據和關系曲線進行定線精度檢驗和關系曲線檢驗，保證H-ADCP測流數據的準確性和穩定性，驗證水平固定式聲學多普勒流速剖面儀在城市智慧引調水工程應用的合理性。

2.3.1 定線精度檢驗

由于本次實驗得到的關系曲線為一元線性回歸曲線，是經單值化處理的單一線，同時流量實測點數不少于10個，因此需要計算實測點對關系線的標準差、隨機不確定度和系統誤差。通過水文資料整編規范公式和關系曲線數據，計算得到實測點標準差為6.9%，隨機不確定度為13.8%，系統誤差為0.12%，滿足3類精度水文站采用ADCP測流單一曲線法的定線精度指標，即隨機不確定度不超過14%，系統誤差不超過2%。

2.3.2 關系曲線檢驗

因為本次實驗得到的指標流量關系曲線為一元線性回歸曲線，根據規范要求，屬于經單值化處理的單一線，且流量實際測點在10個以上，所以需要對流量關系曲線做符號檢驗，適線檢驗和偏離數值檢驗。根據率定比測的70個測次數據和斷面流量關系曲線，計算對應檢驗的統計參數，與對應顯著性水平a下的允許最大臨界量進行對比，得出各個曲線檢驗的結果。經計算，符號檢驗在顯著性水平a為0.25的情況下，統計參數u為0.84，小于允許最大臨界量1.15；適線檢驗由于統計參數k為36，大于測次參數0.5（n-1），因此無需做適線檢驗；偏離數值檢驗在顯著性水平a為0.20的情況下，統計參數|t|為0.15，小于允許最大臨界量1.28。

由上述統計參數計算結果可以看出所得流量回歸關系曲線滿足各項檢驗標準，因此可以判定率定結果合格，率定實驗得到的關系曲線適用于城市地區河道測流環境。同時，根據地方流量站水文測量規范要求規定“首次比測率定成果質量可暫時按照樣本總數不少于15個、隨機誤差≤15%、相對誤差≤20%樣本數不少于90%控制”，本次率定實驗隨機誤差為13.8%，樣本數70個，全部樣本相對誤差不超過20%，滿足對應規范要求。

根據率定比測數據以及流量關系曲線分析可以得到，本次率定相關統計量均在允許最大臨界值以下，檢測結果符合率定比測規范要求，驗證了國電南瑞科技股份有限公司自產H-ADCP設備NDCP3090H在城市河網的實時在線流量監測具有較高的測流精度，能夠確保智慧引調水工程流量數據的準確性和穩定性。

3.結語

綜合上述智慧引調水工程背景和設備測流精度率定實驗結果來看，國電南瑞科技股份有限公司研發自產的H-ADCP設備NDCP3090H在城市智慧引調水工程中的應用具有較高的實際意義，它提高了流量測量的精確性和實時性，擺脫了原有依靠人工計算的流量測量方式，為引調水工程中的智慧分析和方案決策提供了一種更加高效的數據采集方式。尤其是從比測率定的精度檢驗成果來看：城市河網流量站安裝的NDCP3090H型H-ADCP結果數據整編得到的流量曲線呈一元線性回歸關系，關系曲線檢驗的各類統計參數均符合規范要求，這證明NDCP3090H能夠滿足引調水工程的測量精度需求，保障智慧引調水工程的穩定運行。