周文静，郭 艺，蒋四维

（长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局,湖北 襄阳 441021）

1 H-ADCP工作原理

H-ADCP在线流量推算原理是基于H-ADCP采集的若干单元代表流速与流速仪法或走航式ADCP施测计算的断面平均流速建立相关关系,通过H-ADCP的代表流速平滑计算出断面平均流速,再以断面平均流速与相应过水断面面积相乘推求出断面流量,这种方法称为代表流速面积法,也称为相关分析法或回归法。基本原理是：

断面流量等于断面面积乘以断面平均流速,即：

断面面积通常可表示为水位的函数,即：

断面平均流速可表示为某一代表流速的函数,即：

式中：Q为断面流量,m3/s；A为断面面积,m2；V为断面平均流速,m/s；Z为水位或水深,m；Vx为代表流速,m/s。

代表流速法关系建立后,从H-ADCP在线流速监测数据中提取代表流速,即可根据线性或非线性相关关系推求断面流量,实现流量在线监测。系统界面见图1。

图1 H-ADCP报汛自动处理系统界面

2 黄龙滩水情特性

黄龙滩水文站为长江流域汉江中游堵河基本控制站。基本水尺断面上游约3.4 km建有黄龙滩水电站,约3.1 km有大、小峡从左岸入汇；下游约0.5 km有犟河从右岸入汇。本站受黄龙滩电站发电、泄洪和上、下游入汇河流以及丹江口水库回水等多重影响。

本站所处的堵河流域位于鄂西北汉江右岸,地跨陕西、湖北两省,流域呈树枝状,整个流域处于山区丘陵地带,植被状况良好。堵河是汉江中游段的最大支流,主河道长354 km,平均坡降4.81%,流域面积12430 km2。水文站位置见图2。

图2 黄龙滩水文站位置示意图

流域地处亚热带季风区,气候温和湿润,多年平均降水量800 mm,水量较丰沛；但年内分配不均,5 月～10月径流量占全年70%左右,年际变化较大。流域洪水由暴雨形成。

测验河段顺直长约800 m,右岸为土质,左岸系石砌公路路基,岸边有乱石。河床由卵石夹沙组成,冲淤不大。上游3.4 km有黄龙滩水库（电站）；3.1 km有大、小峡自左岸汇入,本地区降暴雨时,有山洪暴发,是本站年最大含沙量的来源；上游0.9 km有襄渝铁路大桥。下游0.5 km有犟河自右岸入汇,该河涨水时,对本站低水有明显顶托影响；下游0.8 km有公路桥横跨在有270 度转角的弯道顶点。

在测流断面下游约200 m处有一沙滩,当水位在160 m以上全部淹没,在该水位以下则水流被分为两股。水位在159.50 m以下时,水流由左槽出流,河槽呈V型,河底呈倒坡。

当本站不受丹江口水库变动回水影响时,测验河段各级水位流量关系控制良好；当丹江口水库蓄水至159.50 m以上时测验河段受回水顶托影响。

3 代表流速的率定

H-ADCP整编推流流程见图3。

图3 H-ADCP整编推流流程图

受南水北调丹江大坝蓄水影响,2017 年9 月以后本站处于变动回水区,原有测站特性发生变化,水位流量关系复杂,因此开展本实验,以探索H-ADCP在本站复杂水流特性下作为一种流量测验基本方法的可行性,实现本站流量的实时监测,完整控制流量变化过程,提高水文监测的技术水平,推进水文现代化的进程。

黄龙滩水文站回水顶托期间,在收集代表流速采集样本的同时,采用RS-M9 走航式ADCP进行流速流量测验,每次测验时共施测2 测回（4 次）,平均历时一般在20 min以内；水位涨落急剧变化时采用1 个测回（2次）。通过RiverSvrveyor Live软件计算在GGA或BT模式下的实测流量、断面面积和断面平均流速。根据测得流量和过水断面面积求得断面平均流速,从而建立代表流速与断面平均流速的相关关系。见图4～图6。

图4 H-ADCP安装位置示意图

图5 走航式ADCP流速分布

图6 走航式ADCP航迹

2019 年8 月,丹江口水库库区水位不断上涨,黄龙滩水文站受回水顶托影响,原本的临时曲线法无法满足日平均流量和各项特征值统计的推求。从8月13日至8月26日,共施测流量13次,水位级覆盖范围160.56 m～162.30 m,基本完整收集到黄龙滩水文站受回水顶托影响逐渐增强的过程。通过对H-ADCP收集到的数据质量进行分析,发现在距离安装H-ADCP的 19 m处旁瓣波束触底,回波强度增大,另库区水位不断上涨,综合考虑黄龙滩水文站自身水位陡涨陡落特性,代表流速在单元格3-7内较为稳定。固选定3-7单元格内代表流速与断面平均流速建立相关关系。见图7～图9。

图7 黄龙滩水文站与库区水位过程对照

图8 H-ADCP回波强度

图9 H-ADCP代表流速棒

共建立一元一次,一元二次,一元三次多项式组及节点法四种关系推求流量。其中一元一次,一元二次,一元三次多项式组采用EXCEL自带插入散点图生成趋势线功能进行率定,而结点法则采用水文资料整编系统HDP5.0 进行率定生成。水文资料整编系统HDP5.0 绘线功能见图10。黄龙滩回水顶托实测流量成果见表1。

图10 水文资料整编系统HDP5.0绘线功能

表1 黄龙滩回水顶托实测流量成果表

4 误差分析

多项式法代表流速关系见图11,节点法代表流速关系见图12。

图11 多项式法代表流速关系图

图12 结点法代表流速关系图（图中横坐标为断面平均流速，纵坐标为代表流速）

多项式公式见表2,推流方法三性检验及误差统计见表3,多项式法与结点法综合对照见图13。

表2 多项式公式

表3 推流方法三性检验及误差统计

图13 多项式法与结点法综合对照

根据《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）和《水文测验补充技术规定》,符号检验时α取0.25, 应小于；适线检验时α取0.05,应小于1-α=1.64；偏离检验时t取0.10,|t|应小于。由上述统计结果可知,四种方式均符合三性检验。

由于一元一次多项式为直线,所以流速相关关系局部离散较大,一元二次和一元三次多项式在参数变多的情况下相关系数依次递增,而结点法标准差和随机不确定度最小。虽然多项式法也有较好的相关关系,但在处理小流速延长时,受多项式法功能限制,不能很好处理小流速部分代表流速过程,在实际应用中影响了小流速流量过程的推求。而结点法由于HDP5.0 强大的绘线结点修改功能,可以灵活修改处理小流速部分代表流速曲线,使小流速部分推流情况更加符合实际流速过程,从而推求的流量过程与实际过程相符。所以选用结点法进行流量推求时误差最小。

如图14与图15所示,结点法在推求小流速过程上明显更符合测站水情。

图14 多项式法小流速过程

图15 结点法小流速过程

5 结论

由于EXCEL并非专门水文整编计算工具,在进行三性检验,推求流量以及对代表流速和断面平均流速相关关系进行局部微调时存在计算量大、操作繁琐等诸多不便之处,对于曲线的上下延长趋势难以人为干预,无法适应复杂条件下的代表流速和断面平均流速相关关系建立,可能造成推流过程局部失真。而结点法可以很好的解决这一局限性。推流过程与实际情况更加相符,而且和目前使用水文资料整编系统HDP5.0 程序对接方便,从而方便快捷地应对受水利工程影响条件下流量过程的推求。