望亭（立交）水文站H-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)率定分析

任曉東，隆 威，唐曉春，耿欣欣

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局，江蘇 蘇州 215000；2.南京揚(yáng)子水利自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)發(fā)總公司，江蘇 南京 210012）

1 望亭水利樞紐（立交）概況

望亭（立交）水文站（以下簡(jiǎn)稱望亭站）位于望虞河望亭水利樞紐（又稱望亭立交工程）上游，為太湖的主要進(jìn)出湖控制站，擔(dān)負(fù)著引江濟(jì)太和引水排澇的重要作用。望亭站基本測(cè)流斷面為規(guī)則的梯形斷面，位于閘上游300m，河寬127m，測(cè)驗(yàn)河段基本順直，河床穩(wěn)定，河底高程一般在-1.00～-2.90m 之間，水深一般在 4.00～7.00m 之間。望亭站測(cè)流斷面上游因受閘門控制，不存在單一的水位-流量關(guān)系，因此一直采用纜道流速儀法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流量。2006年6月，該站引進(jìn)了 CM600型H-ADCP，建設(shè)自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，自帶的測(cè)流軟件為THwvf 軟件。H-ADCP 測(cè)速主機(jī)安裝于流速儀測(cè)流斷面旁，離右岸約 15.00m 處，安裝高程為 1.90m（黃海高程）。H-ADCP 參數(shù)設(shè)定為：?jiǎn)卧L(zhǎng)度 1.00m；H-ADCP 單元數(shù)量為90個(gè)；盲區(qū) 0.50m；取H-ADCP 第 5～84單元、5min 平均流速作為指標(biāo)流速，范圍為斷面右岸起點(diǎn)距 20～104m 的水層作為H-ADCP 測(cè)量指標(biāo)流速的水層。分別于2007和 2011年進(jìn)行了引、排水狀態(tài)下的 H-ADCP 指標(biāo)流速與斷面平均流速的率定，取得了初步成果。

2 H-ADCP關(guān)系的率定

2.1 H-ADCP 過(guò)水面積與水位關(guān)系的率定

對(duì)望亭站的 H-ADCP 測(cè)流斷面進(jìn)行精確測(cè)量后得到大斷面成果，再根據(jù)大斷面成果計(jì)算出“水位面積關(guān)系表”，“水位面積關(guān)系表”根據(jù)斷面的深度包含若干個(gè)水位節(jié)點(diǎn)。

將“水位面積關(guān)系表”置入現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件后，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件采集到實(shí)時(shí)的水位后自動(dòng)查找“水位面積關(guān)系表”，從而查到相應(yīng)的過(guò)水面積。當(dāng)實(shí)時(shí)水位在水位節(jié)點(diǎn)之間時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)內(nèi)插法計(jì)算出相應(yīng)的過(guò)水面積。

2.2 H-ADCP 流速與斷面流速關(guān)系的率定

為了得到流速回歸方程，在進(jìn)行指標(biāo)流速采樣的同時(shí)，需用人工船測(cè)或走航式 ADCP 測(cè)出流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)。這種同步采樣需要在不同的流量或水位情況下進(jìn)行。這樣得到1組斷面平均流速ν與指標(biāo)流速νi及水位的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析（如采用最小二乘法），即可以得到ν與νi的關(guān)系曲線或回歸方程。

建立率定關(guān)系（即流速回歸函數(shù)或方程）需要以下 2個(gè)步驟：

1）現(xiàn)場(chǎng)流量和指標(biāo)流速采樣。在現(xiàn)場(chǎng)采用H-ADCP 進(jìn)行指標(biāo)流速采樣的同時(shí)，需用人工船、纜道或走航式 ADCP 測(cè)驗(yàn)流量和斷面面積（望亭站采用纜道流速儀進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)），從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)同步采樣需要在不同的流量或水位情況下進(jìn)行，這樣可得到1組斷面平均流速與指標(biāo)流速及水位的數(shù)據(jù)。

2）回歸分析。首先選擇合適的回歸方程，然后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析確定回歸系數(shù)。通常情況下，回歸方程的選擇不是唯一的。一般可以采用幾種方程進(jìn)行回歸分析，然后對(duì)回歸分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后確定“最佳”回歸方程。

由于望亭站測(cè)流斷面受上游望虞河望亭水利樞紐的影響，望亭站的流速回歸函數(shù)分為引和排水2種。

2.3 引排水關(guān)系率定

望亭站引水關(guān)系率定工作于 2007年實(shí)施，引水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)時(shí)段的 H-ADCP 指標(biāo)流速數(shù)據(jù)共 30組，如表1所示；排水關(guān)系率定工作于 2011年實(shí)施，當(dāng)年排水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)時(shí)段的 H-ADCP 指標(biāo)流速數(shù)據(jù)共46組，如表2所示。

采用指標(biāo)流速法專用軟件“定線通”分別對(duì)引、排水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到引、排水各種線型的流速回歸方程，如表3，4所示。

適合望亭站測(cè)流軟件推算斷面平均流速的線型方程為一元線性、一元二次方程，通過(guò)對(duì)表3，4的2種線型的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度、系統(tǒng)誤差，以及對(duì)應(yīng)于各回歸方程的定線評(píng)估圖形進(jìn)行綜合分析，引和排水都采用一元二次多項(xiàng)式為望亭站的最佳回歸方程（標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差最?。D1，2分別為對(duì)應(yīng)于一元二次多項(xiàng)式的引、排水定線評(píng)估圖形。

表1 2007年望亭站 H-ADCP 引水率定表

表2 2011年望亭站排水 H-ADCP 率定表

3 H-ADCP 計(jì)算流量與斷面實(shí)測(cè)流量比測(cè)成果誤差統(tǒng)計(jì)

2008年望亭站引水期間施測(cè)流量24組，2012年望亭站排水期間施測(cè)流量44組，分別對(duì)引、排水所率定公式的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，表5為 2008年引水驗(yàn)證成果表，表6為 2012年排水驗(yàn)證成果表。

利用南方片水文資料整匯編程序分別對(duì) 2008年的引水?dāng)?shù)據(jù)和 2012年的排水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行 t（學(xué)生式）檢驗(yàn)，引水結(jié)果如表7所示，排水結(jié)果如表8所示。

由表7，8可知，引、排水的2組樣本都通過(guò) t檢驗(yàn)，說(shuō)明引、排水所測(cè)的2組樣本屬于同一總體， 2007年所率定的引水公式和 2011年所定的排水公式可以繼續(xù)使用。

表4 2011年望亭站“定線通”排水定線結(jié)果

圖1 2007年望亭站一元二次多項(xiàng)式引水定線評(píng)估圖

4 結(jié)語(yǔ)

圖2 2011年望亭站一元二次多項(xiàng)式排水定線評(píng)估圖

表5 2008年望亭站 H-ADCP 引水率定表

經(jīng)過(guò)分析可知，望亭站相關(guān)關(guān)系較好，除標(biāo)準(zhǔn)差及隨機(jī)不確定度略大以外，其余都能滿足SL247-1999《水文資料整編規(guī)范》的要求[3]。標(biāo)準(zhǔn)差稍大的原因有以下幾點(diǎn)：

表6 2012年望亭站 H-ADCP 排水率定表

1）測(cè)流斷面位置，上游測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度不符合測(cè)驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的要求，達(dá)不到測(cè)流斷面為河寬的 3～5倍，使測(cè)流斷面方向不垂直于河道水流平均流，因此水流平均流向不穩(wěn)定，出現(xiàn)流向偏角，產(chǎn)生測(cè)驗(yàn)誤差[1]。

表7 望亭站引水流速關(guān)系曲線學(xué)生氏檢驗(yàn)計(jì)算表

表8 望亭站排水流速關(guān)系曲線學(xué)生氏檢驗(yàn)計(jì)算表

2）閘門開(kāi)啟的孔數(shù)、高度不同引起水流流態(tài)不同。

3）逆風(fēng)較大時(shí)，有時(shí)產(chǎn)生回流，由于流速儀測(cè)法只能計(jì)算得到正或負(fù)的流速，而 H-ADCP 顯示的是正負(fù)抵消后的結(jié)果，所以 H-ADCP 流量比流速儀流量偏小。

4）受月城河船閘開(kāi)關(guān)影響，產(chǎn)生水量分流，使流速忽大忽小。

5）H-ADCP 自身有不穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差[2]。

6）受河中水草影響，指標(biāo)流速有部分異常，從而影響平均指標(biāo)流速。

總之，望亭站經(jīng)過(guò)連續(xù)多年的比測(cè)，引、排水定線精度已基本能滿足閘門調(diào)度的需求。今后的工作是在已有資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)引排水關(guān)系進(jìn)行修正，使標(biāo)準(zhǔn)差及隨機(jī)不確定度能達(dá)到SL247-1999《水文資料整編規(guī)范》[3]和 SL195-97《水文巡測(cè)規(guī)范》[4]的要求，從而能將成果直接應(yīng)用于資料整編中。

對(duì)于以后的工作，有以下幾點(diǎn)建議：

1）使用 H-ADCP 進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)要考慮安裝條件，站址的選擇。

2）傳統(tǒng)的流速儀測(cè)流，受到人力物力的局限性，工作量大，而 H-ADCP 自動(dòng)測(cè)流設(shè)備，大大減輕了工作強(qiáng)度，且是24h 在線監(jiān)測(cè)，計(jì)算日平均流量具有代表性，是水文現(xiàn)代化不可缺少的新技術(shù)。因此無(wú)論從哪一角度來(lái)講，應(yīng)適當(dāng)放寬 H-ADCP 計(jì)算流量與斷面實(shí)測(cè)流量誤差范圍，讓許多新技術(shù)隨著水文現(xiàn)代化得到廣泛應(yīng)用。

[1] 中華人民共和國(guó)水利部.GB50179-93河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993: 1-16,60-114.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.SL337-2006聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利出版社，2006: 13-15.

[3] 中華人民共和國(guó)水利部.SL247-1999水文資料整編規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利出版社，1999: 10-11.

[4] 中華人民共和國(guó)水利部.SL195-97水文巡測(cè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利出版社，1997: 13-19.