黃屋屯水文定點(diǎn)式ADCP流速關(guān)系率定分析

黃存錦

（廣西沿海水文中心欽州水文中心站，廣西 欽州 535000）

1 測站概況

1.1 測驗(yàn)河段概況

黃屋屯水文站設(shè)于1971年，處于獨(dú)流入海的茅嶺江下游，距入?？?7.5 km，集水面積1826 km2，為感潮河段水文站，屬流量二類精度水文站。測驗(yàn)河段順直約800 m。河槽為“U”型，河床右岸為風(fēng)化石，左岸為沙質(zhì)和淤泥組成，無水草生物，較易沖淤。測驗(yàn)斷面最大水深處為起點(diǎn)距60.0 m，中泓位于斷面45.0～95.0 m之間。斷面上游19 km有電站閘壩，對(duì)流量測驗(yàn)影響不大；上游800 m處有分流串溝，水位7.50 m左岸開始漫灘；下游8 km處有大直江加入。測驗(yàn)河段為感潮河段，受潮汐影響顯著，水位流量關(guān)系極其復(fù)雜。

1.2 水文特征

本站屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，影響流域暴雨天氣系統(tǒng)主要有低壓、低渦、臺(tái)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)槽等。

水流主要受上游來水和海洋潮汐變化的影響，呈現(xiàn)洪水、潮水、潮洪混合3種流態(tài)。洪水水位流量關(guān)系主要受洪水漲落率的影響，中洪以上呈逆時(shí)針繩套曲線，漲水偏大、退水偏小。潮洪混合呈順時(shí)針繩套曲線，漲水偏小，退水偏大。潮水水位流量關(guān)系呈心型。

本站潮汐規(guī)律與北部灣基本一致，為不正規(guī)全日潮，一般情況下，每隔十四五天換一次潮，換潮時(shí)前3～4 d出現(xiàn)兩次高潮兩次低潮，其后為一天一次高潮一次低潮，大潮高潮水位3.3 m左右，大潮潮差3.6 m左右。

受潮汐影響時(shí)，小潮憩流不定，大潮時(shí)落憩出現(xiàn)在起漲后約30 min，最大負(fù)流約出現(xiàn)在高潮前1～2 h，漲憩出現(xiàn)在高潮后約30 min，最大正流出現(xiàn)在高潮1～2 h，漲潮流歷時(shí)5～7 h，落潮流歷時(shí)16～18 h，最大漲落潮平均流速為±0.5 m/s左右。

中洪水位4.5 m，高洪水位6.0 m。實(shí)測最高水位9.03 m，最大流量3130 m3/s，最大流速2.97 m/s，最大水深12 m；實(shí)測最低水位-1.05 m，最低水位時(shí)最大水深6.5 m，最小流速-0.6 m/s左右，落憩附近約有1～2 h平均流速小于±0.1 m/s。近年來，由于受人為抽沙影響，河床逐年下降。受河床降低及潮汐影響年洪水水位已有所下降，高潮有所提高，年水位大于4 m及流速大于1 m/s的天數(shù)小于15 d。

2 儀器安裝及調(diào)試情況

2.1 儀器設(shè)備基本情況

采用ChannelMaster600型聲學(xué)多普勒流速儀（簡稱CM型H-ADCP，以下簡稱定點(diǎn)式ADCP），該儀器同時(shí)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)。它是利用向水中發(fā)射超聲波束，由隨水移動(dòng)的懸浮顆粒反射，發(fā)生多普勒頻移的物理原理，通過高分辨的儀器接收、解算返回波束頻率的差別得到瞬時(shí)的流速、流量。側(cè)置式多普勒流速儀器是安置在河岸一側(cè)，測量水下特定區(qū)域范圍的層流速（指標(biāo)流速），這和傳統(tǒng)潮流量測驗(yàn)代表垂線的作用是相同的。定點(diǎn)式ADCP可以在線監(jiān)測，但提供的是流量斷面特定水層的指標(biāo)流速，還須用指標(biāo)流速和斷面平均流速建立關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷面流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

ADCP技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)頻率600 kHz，波特率9600，測速范圍±5 m/s，流速測量精準(zhǔn)確度±0.5%，直流接入DC 10～18 V，最大電流1.5 A，流速測量換能器雙聲束±20°，內(nèi)存4 MB，聲束角1.5°，聲束寬度600 kHz，重量4.76 kg，作業(yè)溫度-5°～-45℃，高度18.3 cm，寬度26.4 cm，縱深19.3 cm，傾斜計(jì)±15°；內(nèi)置時(shí)鐘、日期，內(nèi)置鈦金屬外殼溫度探頭，自動(dòng)補(bǔ)償聲速。

ADCP結(jié)構(gòu)材質(zhì)為聚胺酯外殼、鈦合金緊固件，不銹鋼安裝底座。自動(dòng)測溫補(bǔ)償，缺省鹽度，平均間隔、采樣間隔可以設(shè)定。儀器的記錄器帶有4 MB的存儲(chǔ)量，可以存儲(chǔ)200 000個(gè)采樣數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)連續(xù)測量配置模式對(duì)流速自動(dòng)連續(xù)采樣并存儲(chǔ)。

2.2 儀器安裝調(diào)試

ADCP安裝在抱箍式滑動(dòng)導(dǎo)軌支架上，支架長2.3 m，采用304不銹鋼，50 mm×50 mm×5 mm的角鋼，可微調(diào)橫搖、縱搖和艏向3個(gè)方向?；壷Ъ苌嫌伟惭b有用于擋漂浮物的固定樁，架頂高于儀器0.50 m，不露出水面，處于基本水尺斷面下游14 m，距離流速儀測流斷面3.5 m，起點(diǎn)距36.5 m，河底高程-1.7 m，儀器高程-1.30 m，在歷史最低水位下0.25 m，距離河底0.40 m。測量區(qū)間用2～28 m（起點(diǎn)距38.5～64.5 m），在此量程下不受河底的影響。在測量范圍內(nèi)未見回波干擾，信號(hào)強(qiáng)度足夠，測量范圍合理，ADCP流速數(shù)據(jù)可供使用。設(shè)置平均間隔60 s，采樣間隔為300 s。黃屋屯站流速儀測流斷面及ADCP安裝示意圖見圖1。

圖1 黃屋屯站流速儀測流斷面及ADCP安裝示意圖

3 定點(diǎn)式ADCP流速關(guān)系率定及誤差分析

3.1 率定目的

進(jìn)行比測率定，確定定點(diǎn)式ADCP測驗(yàn)指標(biāo)流速與斷面平均流速（常規(guī)流速）的相關(guān)關(guān)系，最終達(dá)到用定點(diǎn)式ADCP流速儀代替常規(guī)流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)。一方面提高水文測驗(yàn)手段，解決潮洪混合影響下傳統(tǒng)的測驗(yàn)方法不能滿足流量測驗(yàn)精度要求的問題；另一方面可以提高水文測驗(yàn)效率，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)式ADCP在線流量監(jiān)測，資料整編電算化，從而實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化。

3.2 率定分析方法

按照《廣西水文流量泥沙蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)率定分析關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綱要（試行）》進(jìn)行率定。

本次比測采用水文纜道拖行聲學(xué)多普勒流速剖面儀（也稱走航式ADCP，簡稱M9）進(jìn)行施測，航跡較好，速度均勻，流量精度較高，采用借用斷面面積計(jì)算走航式斷面平均流速。ADCP每5 min采樣一次，流速經(jīng)高斯濾波平滑處理后選取最接近平均時(shí)間的流速作為指標(biāo)流速。

將兩種儀器測驗(yàn)得到的同步水位流量流速數(shù)據(jù)，使用定線通軟件進(jìn)行分析計(jì)算，確定定點(diǎn)式AD?CP測驗(yàn)的指標(biāo)流速與實(shí)測斷面平均流速關(guān)系式。

3.3 數(shù)據(jù)采集

本次比測收集2021年5月17日～18日純潮流量測驗(yàn)27次（每隔1 h施測1次），7、8、9月各測1次純潮流量，10月份測5次潮洪混合流量。水位在-0.58～4.28 m之間，斷面平均流速在-0.31～1.5 m/s之間，流量為-220～1500 m3/s之間。

本次使用M9施測的流量水位、流速分布均勻，點(diǎn)據(jù)足夠，施測的潮洪混合點(diǎn)據(jù)偏少，定點(diǎn)式ADCP流速采樣正常，滿足關(guān)系線分析的要求。黃屋屯水文站ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速比較分析見表1。

表1 黃屋屯水文站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速比較分析表

3.4 指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)分析

相關(guān)關(guān)系和模型分析利用黃河水文科技公司“定線通”軟件進(jìn)行定線，定線數(shù)據(jù)文件水位、流量按規(guī)范保留有效數(shù)，指標(biāo)流速按軟件標(biāo)準(zhǔn)保留小數(shù)點(diǎn)后3位摘錄，斷面面積根據(jù)大斷面成果由軟件計(jì)算，斷面平均流速=流量/面積，定線通軟件水位、流量、面積、流速有效數(shù)保留至小數(shù)點(diǎn)后3位，計(jì)算結(jié)果見圖2和表2。

表2 黃屋屯站定點(diǎn)式ADCP流速關(guān)系分析統(tǒng)計(jì)表

圖2 定線通計(jì)算結(jié)果圖

由表2可知，指標(biāo)流速與實(shí)測斷面平均流速相關(guān)關(guān)系密切，線性1、線性2、一元二次多項(xiàng)式、冪函數(shù)、二元線性5種模型系統(tǒng)誤差超過±1%，隨機(jī)不確定度也偏大，模型不理想。

依據(jù)《廣西水文流量泥沙蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)率定分析關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綱要（試行）》流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)率定分析精度控制表規(guī)定二類精度基本站的定線精度系統(tǒng)誤差為1%，不確定度為12%，復(fù)合線性各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求。因此選用復(fù)合線性相關(guān)關(guān)系式：Vm=0.0 213+0.9 252Vi（Vi≤0.073），Vm=0.0 315+0.7 862Vi（Vi＞0.073）。

3.5 推算斷面平均流速與實(shí)測斷面平均流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)

利用定點(diǎn)式ADCP的流速復(fù)合線性公式推求斷面平均流速，與測站常規(guī)流速儀實(shí)測斷面平均流速開展符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范精度控制要求（見表3）。

表3 黃屋屯站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

序號(hào) 施測號(hào)數(shù) 水位/m 指標(biāo)流速/（m/s） 實(shí)測斷面平均流速/（m/s）推算斷面平均流速/（m/s）偏差P/% P（i）-P（平） [P（i）-P（平）]2 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 5 31 30 34 29 28 17 27 26 25 24 38 23 22 21 20 19 18 39 35 36 37-0.58-0.30-0.44 0.76-0.58-0.48 2.72-0.33-0.20 0.06 0.32 2.36 0.66 0.95 1.28 1.62 1.98 2.44 1.40 4.28 4.24 3.88-0.067 0.004 0.025 0.10 0.13 0.14 0.14 0.15 0.17 0.21 0.24 0.25 0.28 0.30 0.31 0.33 0.38 0.38 0.64 1.78 1.89 1.94-0.040 0.028 0.048 0.098 0.135 0.144 0.147 0.161 0.177 0.198 0.227 0.222 0.245 0.255 0.270 0.278 0.312 0.328 0.529 1.41 1.56 1.55-0.041 0.025 0.044 0.110 0.130 0.138 0.144 0.152 0.163 0.197 0.223 0.228 0.248 0.265 0.275 0.289 0.328 0.333 0.535 1.43 1.52 1.56-2.44 12.00 9.09-10.91 3.85 4.35 2.08 5.92 8.59 0.51 1.79-2.63-1.21-3.77-1.82-3.81-4.88-1.50-1.12-1.75 3.03-0.32-3.44 11.00 8.09-11.91 2.85 3.35 1.08 4.92 7.59-0.49 0.79-3.63-2.21-4.77-2.82-4.81-5.88-2.50-2.12-2.75 2.03-1.32符號(hào)交換次數(shù)：15合格11.83 121.00 65.45 141.85 8.12 11.22 1.17 24.21 57.61 0.24 0.62 13.18 4.88 22.75 7.95 23.14 34.57 6.25 4.49 7.56 4.12 1.74樣本容量：N=35符號(hào)檢驗(yàn)：u=0.00正號(hào)個(gè)數(shù)：18允許：1.15（顯著性水平a=0.25）適線檢驗(yàn)：U=0.51允許：1.64（顯著性水平a=0.05）合格偏離數(shù)值檢驗(yàn)：|t|=1.10允許：1.67（顯著性水平a=0.10）合格標(biāo)準(zhǔn)差：Se=5.5%隨機(jī)不確定度：11.0%系統(tǒng)誤差：1.0%

3.6 時(shí)段徑流總量誤差分析

對(duì)定點(diǎn)式ADCP計(jì)算的流量與走航式ADCP施測的流量推算時(shí)段徑流量進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 時(shí)段徑流量對(duì)比表

3.7 率定資料質(zhì)量評(píng)定

采集2021年5月17日11：55～2021年5月18日13：55數(shù)據(jù)，每隔1 h施測1次，即連續(xù)施測一個(gè)完整的潮期，共比測27次，得到較為完整的流量過程；7、8、9月每月均正常巡測1次，10月洪水及潮洪混合施測5次，總共35次。用復(fù)合線性關(guān)系式計(jì)算流速，經(jīng)誤差統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)誤差為1%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5%，不確定度11%，達(dá)到《廣西水文流量泥沙蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)率定分析關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綱要（試行）》的流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)測驗(yàn)精度要求。

本次率定工作數(shù)據(jù)經(jīng)過對(duì)比、計(jì)算、分析、整編，各種特征流量成果合理，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，可以作為2021年流量整編成果使用。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(shí)在線監(jiān)測的目的。

4 存在問題及解決方法

（1）測驗(yàn)河段受上下游取沙影響，近年斷面沖淤變化較大，可采用多測水道斷面的次數(shù)來減少借用斷面帶來的誤差，但斷面變化較大會(huì)引起原率定關(guān)系線的變化，相關(guān)關(guān)系線不能長期使用。

（2）由于今年安裝定點(diǎn)式ADCP后一直沒有出現(xiàn)較大洪水，只連續(xù)施測了一個(gè)完整潮期，10月份洪水施測了5個(gè)點(diǎn)子，但沒能施測完整的洪水過程，大洪水及潮洪混合比測點(diǎn)子少，應(yīng)增加洪水及潮洪混合校測次數(shù)，施測一場完整洪水過程進(jìn)行率定分析，有必要重新率定相關(guān)關(guān)系線。

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，河槽降低有利于潮水行流，高潮更高低潮更低，如果最低水位再進(jìn)一步降低，聲束將突出水面而影響指標(biāo)流速，或者需要減小采樣區(qū)間，同時(shí)過高的潮水及小流速也超出率定關(guān)系式的使用范圍。減小采樣區(qū)間都需要重新率定，可以重新安裝到合適的位置。

5 結(jié)語

比測結(jié)果表明：黃屋屯站使用定點(diǎn)式ADCP進(jìn)行測量測驗(yàn)，可以達(dá)到國家二類水文站的流量測驗(yàn)精度，完全滿足推算水量的要求。與傳統(tǒng)測流儀器相比，具有不擾動(dòng)流場、測驗(yàn)歷時(shí)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(shí)的流速變化過程，經(jīng)過軟件處理和資料整編，能取得較高質(zhì)量的流量成果。