三堆子水文站H-ADCP比测试验研究

2013-09-19张娜，王进，蒋波

东北水利水电 2013年2期

张娜，王进，蒋波

（长江上游水文水资源勘测局，重庆 400014）

0 引言

三堆子站地处金沙江下段干热河谷地带，集水面积288571 km2。控制雅砻江汇入金沙江后的水情。三堆子站河道比较顺直，经过两年来的测量，水位流量关系呈单一线。H-ADCP是用于河流或明渠流速、流量在线监测的声学多普勒仪器，是当前在我国逐渐兴起的一种新型测流仪器，凭借其操作方便、快速高效、稳定可靠等多方面优点，是当前水文测验方式方法更新的重要手段。H-ADCP通过测量代表流层的流速，进而推算得到断面流量，简便易于操作，可以在线实时监测河流断面的流速流量过程，适合在水流条件变化急剧复杂或受水利工程影响的水文站进行流量测验。三堆子站H-ADCP仪器安装方案经过比较分析，选择在基本水尺断面(兼测流断面)的左岸。于2007年1月采用垂直混泥土结合钢结构支架安装，该仪器位置在断面的起点距36.7 m处，仪器的垂直波束的高程为976.90 m。经过现场调整，仪器表面水平指向对岸，且与水流方向垂直，仪器倾斜传感器测量的纵、横摇角度确保在1°以内[1，2]。

H-ADCP应用前需要进行比测试验研究，以确定其应用条件和方案。文中根据三堆子水文站两年比测资料，确定H-ADCP在长江上游山区性河道测验时相关测验参数，确定流量推算方案，主要是指标流速的率定，包括指标流速段的选取和相关关系的建立。探索H-ADCP在长江上游山区性河道不同水力条件和水流特性下，特别是在不同含沙量级的测验适用条件和适用范围。从而检验H-ADCP在不同水沙条件运用条件下的稳定性和精度研究，探索H-ADCP作为一种测流的基本方法和手段的可行性，提高水文监测的技术水平，推进水文现代化的进程。

1 比测情况和方法

1.1 主要参数设置

深度单元尺寸2 m；深度单元个数128，覆盖了大断面相应安装高度的全水平层；盲区2 m；起点距离0.40 m；采样间隔5 min；平均时段2 min；水体含盐度0 ppt。

1.2 比测资料情况

从2009年4月2日至2009年8月16日、2010年6月5日至2010年7月24日，对三堆子站进行了H-ADCP比测试验，在此期间，三堆子站经历了2009年最高洪水位涨水过程，掌握了洪水变幅范围。率定期间流量总共变化范围为1160～16100 m3/s，流速仪施测流速范围为0.94～3.82 m/s，即为指标流速法参数率定提供一定范围的流速变幅。

在进指标流速分析时，在比测时段内，采用三堆子站流速仪实测流量进行分析，当实测流量水位级和数据不够时，找到需要水位的H-ADCP有采集数据的时间段，从整编后的水位流量关系中查的流量和相应大断面的面积得到该时段的平均流速，不影响资料分析研究的合理性和精度[3]。

1.3 流量推算原理

当采用H-ADCP进行在线流量监测时，HADCP实时采集水平线上的流速分布数据和水位数据。需要选择适当的流量算法，利用这些数据以及过水断面数据计算出流量。有两种流量计算方法可以应用：指标流速法和数值法。这两种方法是独立的、完全不同的流量算法。常用的是指标流速法。结合水文测站的实际，重点分析测站现流速仪施测平均流速与指标流速法的概念关系。

1.4 指标流速法原理

指标流速法的基本原理是建立断面平均流速与指标流速（即某一实测流速）之间的相关关系（即率定曲线或回归方程）。指标流速实际上是河流断面上某处的局部流速。断面平均流速则可以认为是河流断面上的总体流速。因此，指标流速法的本质是由局部流速来推算总体流速。在实际应用中，有3种局部流速可以用来作为指标流速：某一点处的流速、某一垂线处的深度平均流速、某一水层处某一水平线段内的线平均流速。

H-ADCP主要选取某一水层处某一水平线段内的线平均流速作为指标流速，需要指出的是，第三种指标流速只要求某一水层处某一水平线段内的线平均流速，并不要求整个河宽范围内的水平线平均流速[4]。

根据上述指标流速与断面平均流速建立相关关系，推算流量计算的基本公式为：Q=AV，式中：V为断面平均流速；A为断面过水面积。过水断面面积由断面几何形状和水位确定。对于某一断面，过水断面面积仅为水位的函数：A=f（H），过水断面面积与水位的关系通常采用表格或经验曲线来表示，H为水位。

1.5 指标流速的率定

指标流速的率定即建立指标流速与断面平均流速的相关关系，建立率定关系（即流速回归函数或方程）需要两个步骤。

第一步是流量和指标流速采样样本。在采用H-ADCP进行指标流速采样的同时，需用流速仪或走航式ADCP和超声波测验流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据。样本需包含不同水位、流量级的可具代表性。通过比测，得到相应的断面平均流速与指标流速相应的样本数，其中指标流速要求选取不同单元范围，代表层面不同级指标流速。

第二步是回归分析过程。要求选择合适的回归方程，通过对数据比测值进行回归分析，从而确定回归系数。回归分析过程可以借助软件也可通过其它几种方程来分析。通常要求采用几种方程不同方式进行回归分析，最后对回归分析结果进行综合评价后，以确定“最佳”回归方程及指标流速单元范围[5][6]。

2 比测试验成果分析

2.1 比测试验特征值统计

率定时间为2009年4月2日至8月16日，以及2010年6月5日至7月24日；其中2009年搜集数据29600组，2010年收集数据554组；比测期水位变幅为976.12～988.99 m，2009年全年水位变幅为975.61～989.44 m；比测期流量变幅为1160～16100 m3/s，2009 年流量变幅为 870～16700 m3/s；比测期流速仪断面平均流速变幅为0.94～3.82 m/s；比测期含沙量变幅为0.003～6.93 kg/m3，2009年含沙量变幅为 0.003～6.93 kg/m3。

2.2 指标流速率定

2.2.1 指标流速段的选取

根据指标流速建立要求，根据试测的结果来看，10.40～50.40 m段的回波信号稳定，流速紊动较小，50.40 m以外的范围在低水时易受过往船只的影响，结合大断面资料，初步确定三堆子站HADCP的VSL流速的水平段按照表1的单元范围进行选取。

2.2.2 相应断面指标流速和流速仪断面平均流速计算

三堆子站指标流速，通过H-ADCP采集的数据在相应的流速单元内进行回放，找到相应时间段直接计算该时段内平均指标流速得到。流速仪断面平均流速的计算是通过实测流量直接得到，当实测流量水位级和数据不够时，找到需要水位的H-ADCP有采集数据的时间段，从整编后的水位流量关系中，查的流量和相应大断面的面积得到该时段的平均流速。

同时也存在极端的情况，如2009年08月01日 08∶24，出现了最大单沙 6.93 kg/m3，H-ADCP出现了监测期间最大含沙量，由于含沙量过大HADCP回波线不超过30 m。

由ADCP数据及该站洪水含沙量分析，得到如下结论：即当三堆子站含沙量达到一定程度时（含沙量为6.93 kg/m3以上），H-ADCP测量范围受限制，在高含沙量能取得ADCP数据，但数据过程离散，关系紊乱，故此两时段内数据不参与指标流速率定。

表1 三堆子H-ADCP流速单元选取范围表

2.2.3 相应断面指标流速和流速仪断面平均流速关系分析

对三堆子水文站H-ADCP指标流速和流速仪断面平均流速建立一元线性、一元二次、指标函数和幂函数回归方程进行分析。

1）一元线性回归方程关系图。根据指标流速和流速仪断面平均流速，按一元线性回归方程建立的关系即：

式中：VSL——H-ADCP的流速不同单元段平均流速；Vs25-3——流速仪断面平均流速。

分别率定不同方案指标流速与流速仪断面平均流速的关系，率定结果见表2。

表2 不同单元段方案一元线性回归方程成果表

2）一元二次回归方程方案。由于在处理各种方案的回归方程的建立时，部分相关点子相对较为离散，经过分析，采用一元二次关系建立相应的曲线回归方程，可以达到非常良好的拟合关系，建立相应的一元二次回归方程：Vs25-3＝b1b2VSL2+b3VSL。

分别率定不同方案指标流速与流速仪断面平均流速的关系，率定结果见表3。

表3 不同单元段方案一元二次回归方程成果表

分别率定不同方案指标流速与流速仪断面平均流速的关系。率定结果见表4。

表4 不同单元段方案幂函数回归方程成果表

2.2.4 指标流速率定方案精度分析

在建立好各种不同方案的指标流速回归方程后，根据指标流速计算断面平均流速，与流速仪流速、进行误差分析统计，统计 Vsl(10.40-30.40），Vsl(20.40-30.40)，Vsl(20.40-40.40），Vsl(30.40-40.40），Vsl(30.40-50.40），5 种方案在 3 种流速回归方程推算下的测流成果及指标流速的误差，统计分析见表5。

表5 误差统计分析表 %

2.3 指标流速率定方案综合分析、评定

根据上述计算、分析表明，一元线性、一元二次、幂函数3种流速回归方程在不同方案的相关性都非常良好，尤其是在Vsl(20.40-30.40)指标流速方案中，其一元线性、复合线性、一元二次等回归方程中的相关系数都具有非常良好的相关性。因此在三堆子站水文站，采用H-ADCP指标流速来代表断面平均流速是可行的。

通过上述分析、计算及测验现场条件综合分析，经过选择比较，选择最优方案中应用在三堆子站的指标流速率定关系，见表6。