水文站H-ADCP流量測(cè)驗(yàn)比測(cè)誤差分析

趙義峰

（伊犁水文勘測(cè)局，新疆 伊寧 835000）

1 測(cè)站概況

新疆某水文測(cè)站水文站于1986 年建立，為國(guó)家基本水文站，建站后一直采用水文纜道流速儀進(jìn)行水文要素監(jiān)測(cè)。為加快新疆地區(qū)水文現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，優(yōu)化當(dāng)前傳統(tǒng)的水位測(cè)驗(yàn)和資料整編方式，測(cè)站于2020年5月完成H-ADCP測(cè)流設(shè)備安裝及調(diào)試，隨后進(jìn)入比測(cè)階段。

2 比測(cè)方案

2.1 測(cè)流設(shè)備

采用美國(guó)RDI 公司產(chǎn)600 kHz 的H-ADCP 測(cè)流設(shè)備和流速儀法同步測(cè)流，并比較流量、流速及斷面面積等測(cè)值，分析測(cè)流誤差。以設(shè)置在纜道斷面上游5 m處、且與河道左岸垂直建設(shè)的棧橋?yàn)镠-ADCP測(cè)流斷面平臺(tái)，H-ADCP測(cè)流設(shè)備水平安裝，安裝高度為-0.75 m，最大測(cè)距可達(dá)到90 m。岸坡系數(shù)陡岸為0.80、斜坡為0.70；水深修正統(tǒng)一采用River Depth Source 軟件中的Composite（VB）工具；冪函數(shù)指數(shù)則以流量測(cè)量質(zhì)量控制軟件所推薦的值為準(zhǔn)；固定聲速取1 450 m/s。H-ADCP 測(cè)流設(shè)備按照10 s 時(shí)間間隔采集連續(xù)測(cè)驗(yàn)瞬時(shí)單元流速數(shù)據(jù)，5 s間隔采集水位數(shù)據(jù)，對(duì)流速數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)分別進(jìn)行300 s時(shí)段和180 s時(shí)段的濾波平滑處理。該測(cè)流設(shè)備測(cè)值的算數(shù)平均值和流速儀常測(cè)法測(cè)值相比，相對(duì)誤差應(yīng)控制在±5%以內(nèi)，比測(cè)隨機(jī)不確定度應(yīng)控制在6%以下，系統(tǒng)誤差不得超出±1%。

2.2 代表流速和斷面流速均值關(guān)系率定

該測(cè)站H-ADCP 代表流速和水文纜道流速儀施測(cè)斷面流速之間的關(guān)系可表示如下：

式中：V—水文纜道流速儀施測(cè)斷面流速均值，m/s；K—斷面流速均值系數(shù)；VCP—代表流速，m/s。

H-ADCP 測(cè)流設(shè)備及配套軟件處理范圍可具體到具體測(cè)速垂線的具體測(cè)點(diǎn)流速，結(jié)合斷面流速實(shí)際分布、測(cè)流設(shè)備安裝高程處待測(cè)河寬、單元尺寸劃分情況，進(jìn)行代表流速單元流速區(qū)間的分析計(jì)算，以最終確定不同區(qū)間內(nèi)代表性流速計(jì)算樣本。該測(cè)站代表流速選擇起點(diǎn)距35.50 m、終點(diǎn)距72.50 m的實(shí)測(cè)單元流速區(qū)間流速。

基于流速儀常測(cè)法施測(cè)斷面流速均值，在對(duì)原始數(shù)據(jù)展開審查分析后將因水草覆蓋、行船等原因所造成的誤差較大的8個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除后，針對(duì)所剩余的35 個(gè)測(cè)點(diǎn)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行該測(cè)站代表流速和斷面流速均值關(guān)系的率定分析。通過H-ADCP 測(cè)流系統(tǒng)率定軟件得出該測(cè)站實(shí)測(cè)斷面流速均值和代表流速的關(guān)系式，即：V=0.911·VCP。

3 比測(cè)誤差分析

該測(cè)站于2020年6月至次年10月汛期實(shí)施測(cè)流纜道流速儀和H-ADCP同步測(cè)驗(yàn)，施測(cè)斷面流量和流速共43次，其中11個(gè)測(cè)次因行船、水草等外部因素的干擾，數(shù)據(jù)存在畸變現(xiàn)象，故未參與流量測(cè)驗(yàn)比測(cè)誤差分析。以其余32組比測(cè)資料展開該測(cè)站H-ADCP流量流速相關(guān)關(guān)系確定及比測(cè)分析。根據(jù)測(cè)流結(jié)果，測(cè)站水位在1 999.41～2 003.08 m 區(qū)間變化，實(shí)測(cè)流量則在261～1 250 m3/s范圍變化。

3.1 比測(cè)資料誤差

該測(cè)站水文纜道流速儀施測(cè)斷面與H-ADCP 測(cè)流斷面相距較近，且不存在沖淤變化，兩個(gè)測(cè)流斷面情況較為接近。水文纜道流速儀施測(cè)過程中共設(shè)置8條測(cè)速垂線，每條測(cè)速垂線均位于0.20 m 和0.80 m 的相對(duì)水深處施測(cè)，具體測(cè)流方案依據(jù)測(cè)站測(cè)流任務(wù)書所規(guī)定的流速儀常測(cè)法操作規(guī)定，以保證比測(cè)精度。

3.2 測(cè)流誤差分析

3.2.1 流量比測(cè)分析

水文纜道流速儀所測(cè)流量與H-ADCP 斷面流量之間的誤差具體見表1，表中Q0、Q1分別為流速儀實(shí)測(cè)流量和H-ADCP實(shí)測(cè)流量；A0、A1分別為測(cè)深鉛魚實(shí)測(cè)斷面面積和H-ADCP 斷面面積；V0、V1分別為流速儀實(shí)測(cè)流速均值和H-ADCP 實(shí)測(cè)流速均值。根據(jù)表1所列32次比測(cè)結(jié)果，流量相對(duì)誤差不超出正負(fù)5%，系統(tǒng)誤差0.71%，標(biāo)準(zhǔn)差2.09%，不確定度3.97%，完全滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》對(duì)水文比測(cè)結(jié)果隨機(jī)不確定度不得超出6%、系統(tǒng)誤差不超出±1%的具體要求。

表1 水文纜道流速儀法與H-ADCP所測(cè)斷面流量誤差表

將水文纜道流速儀實(shí)測(cè)流量設(shè)為縱坐標(biāo)，將H-ADCP實(shí)測(cè)流量設(shè)為橫坐標(biāo)，通過構(gòu)建Q0～ Q1相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.997 3，擬合度很高，相關(guān)關(guān)系可表示為：

3.2.2 斷面面積分析

根據(jù)表1中檢測(cè)結(jié)果，32次比測(cè)斷面面積之間的相對(duì)誤差不超出5%，系統(tǒng)誤差為-0.01%。將測(cè)深鉛魚面積值設(shè)為縱坐標(biāo)，將H-ADCP實(shí)測(cè)斷面面積設(shè)為橫坐標(biāo)，構(gòu)建A0～A1相關(guān)關(guān)系曲線，兩者相關(guān)系數(shù)取0.998 4，擬合度較高，相關(guān)關(guān)系表示如下：

3.2.3 流速比測(cè)分析

根據(jù)分析，H-ADCP測(cè)流儀器安裝位置起點(diǎn)距之間流速較為穩(wěn)定，在綜合考慮水文纜道流速儀測(cè)速垂線設(shè)置位置的基礎(chǔ)上，通過分析代表流速計(jì)算單元的流速區(qū)間選用情況看出，測(cè)站H-ADCP流速相關(guān)關(guān)系線具有較高的定線精度。

結(jié)合比測(cè)資料進(jìn)行垂線流速均值計(jì)算，采用與H-ADCP相同的流速計(jì)算區(qū)間率定出的水文纜道流速儀法及H-ADCP的流速系數(shù)分別為0.87 和0.91；根據(jù)不同測(cè)次流速均值，進(jìn)行實(shí)測(cè)流速和斷面流速均值誤差的對(duì)比。

4 結(jié)論

綜上所述，該測(cè)站屬于汛期站，測(cè)流時(shí)段相對(duì)固定，河段同時(shí)屬于通航河段，船行波對(duì)水流流速及流量存在一定程度的影響，對(duì)于汛期行洪的情況下，也容易受到河道內(nèi)水草的覆蓋和干擾。為保證該測(cè)站H-ADCP測(cè)流結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求展開日常單斷關(guān)系檢測(cè)，并在H-ADCP指標(biāo)流速產(chǎn)出設(shè)計(jì)率定范圍時(shí)，保證比測(cè)和校測(cè)過程的持續(xù)進(jìn)行，提升其單斷關(guān)系線應(yīng)用范圍和測(cè)流精度。