南寧站定點式ADCP指標流速與斷面平均流速關(guān)系模型的建立和應(yīng)用

韋廣龍

（廣西水文水資源局南寧水文站，南寧 530007）

南寧站定點式ADCP指標流速與斷面平均流速關(guān)系模型的建立和應(yīng)用

韋廣龍

（廣西水文水資源局南寧水文站，南寧 530007）

南寧站通過定點式與走航式聲學多普勒流速儀（ADCP）比測，經(jīng)率定后，建立定點式H-ADCP指標流速與斷面平均流速關(guān)系模型，以此關(guān)系模型應(yīng)用到流量自動監(jiān)測，實現(xiàn)南寧水文站定點式H-ADCP流量自動監(jiān)測。

南寧站；定點式ADCP；流速關(guān)系

1 概述

應(yīng)用定點式H—ADCP自動監(jiān)測流量，是解決南寧（三）站受水利樞紐蓄水回水影響所造成水位流量關(guān)系不穩(wěn)定、測流多、定線難等問題的新技術(shù)，在定點式H—ADCP應(yīng)用前，要選好定點式H—AD?CP、優(yōu)選測點、安裝設(shè)備，通過定點式H—ADCP與走航式ADCP流量比測，進行指標流速Vi～斷面平均流速Vm關(guān)系率定，建立指標流速Vi～斷面平均流速Vm關(guān)系模型，達到定點式H—ADCP正式投入生產(chǎn)應(yīng)用的目的，實現(xiàn)南寧（三）站流量自動監(jiān)測。

（1）河流特性。南寧（三）站為郁江上游控制站，集水面積72 656 km2，河段順直，水流含沙量小，為懸移質(zhì)泥沙，水位年最大變幅17.5m，流量年最大變幅13 400 m3/s。因受下游西津電站調(diào)蓄水影響，無穩(wěn)定水位流量關(guān)系。

（2）斷面特征。南寧（三）站斷面為梯形（見圖1），河床穩(wěn)定，河底為沙卵石，無水草，流向與斷面垂直，無回流，適合使用ADCP測流。

（3）水文特征。南寧（三）站多年最低、最高水位60.65 m～77.95 m，多年最小、最大流速0.045 m/s～2.45 m/s（2001年），多年最小、最大流量85.0 m3/s～13 400 m3/s，多年最小、最大含沙量0.0 kg/m3～5.71 kg/m3。

圖1 南寧（三）站流速斷面及水平ADCP位置示意圖

2 聲學多普勒測流原理

ADCP一般配有4個（或3個）換能器，換能器與ADCP軸線成一夾角，每個換能器即是發(fā)射器也是接收器。換能器發(fā)射的聲波具有指向性。換能器某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波。一般認定顆粒物的運動速度與水體流速相同，當顆粒物的運動方向接近換能器時，換能器聽到的回波頻率高；當顆粒物的運動方向是背離換能器時，換能器聽到的回波頻率低。聲學多普勒頻移，即回波頻率與發(fā)射波頻率之差[1]，由下式確定：

式中：FD——聲學多普勒頻移；

F——發(fā)射波頻率；

V——顆粒物沿聲速方向的移動速度；

C——聲波在水中的傳播速度。

ADCP每一個聲速軸線即為一個聲束坐標。每個換能器測驗的流速是水流沿其聲束坐標方向的流速分量。南寧（三）站定點式H-ADCP為二個換能器。

3 選用設(shè)備

《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》（SL337—2006）2.2.1“定點式流量測驗，應(yīng)根據(jù)所測斷面的河寬、水深、流速和含沙量等情況選用合適的聲學多普勒流速儀”。

南寧站使用定點式H-ADCP是由TRDI公司生產(chǎn)的固定式多普勒流速剖面儀600 kHz（90 m）型，為ChannelMaster系列H-ADCP。主要技術(shù)參數(shù)如下：工作頻率600 kHz；換能器發(fā)射（聲速）角20°；測速范圍±0.01～±20.0 m/s（水平方向）；速度分辨率0.1 cm/s；流速精度0.25%，測量范圍1.0～20 m；盲區(qū)0.5 m；單元數(shù)128；單元尺寸100 cm；聲速1 500.0 m/s；水體溫度1.0℃～38.0℃；鹽度0ppt；內(nèi)存2 M，內(nèi)部聲學水位計和內(nèi)部壓力水位計。符合該站水文特征。

4 設(shè)備安裝

（1）安裝位置。南寧（三）站定點式聲學多普勒流速剖面儀（H-ADCP）安裝在流速儀測流斷面上游左岸10.0 m處，安裝高程為59.20 m，起點距60.0 m，距河底1.5 m。固定安裝在特制的鐵架上。

（2）安裝要求。南寧（三）站定點式H-ADCP，根據(jù)《聲學多普勒流量規(guī)范》第2.2.4、2.2.5、3.2.2、3.2.3的要求及規(guī)定進行安裝，電源采用直流電供電，外加太陽能充電，確保電壓保持11 V以上。HADCP的橫搖（度）為0.200，縱搖（度）0.000，波特率9 600，內(nèi)驅(qū)版本：28.36，采樣間隔時間：5 min。

5 比測及成果分析

南寧（三）站定點式H-ADCP與RS-1000型走航式ADCP進行比測，比測方法、程序如下：在同一測流斷面同時進行比測，走航式ACDP施測二個測回斷面流量，兩次流量誤差應(yīng)小于±5.0%，固定式H-ADCP按單元數(shù)5～65，每5 min采集指標流速一次，在比測時間內(nèi)的幾次采集指標流速的平均值。以走航式ADCP實測流量Qm、相應(yīng)水位HC與定點式H-ADCP指標流速Vi采用定線通軟件進行率定。通過相關(guān)分析法來確定斷面平均流速Vm的率定系數(shù)。比測依據(jù)：根據(jù)《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》定點式流量測驗的要求第2.2.1進行比測。

5.1 比測方法

（1）比測前期。比測前，將走航式ADCP換能器入水深度為0.2 m，入水深度雖較小，但測流過程中不發(fā)生換能器露出水面，產(chǎn)生“空蝕”現(xiàn)象，從而保證了測驗精度。走航式ADCP比測位置在流速儀測流斷面處，測船盡可能沿著測流斷面線勻速橫渡施測，測驗時測船平均速度力求小于或等于水流流速；固定式H-ADCP在比測前，電腦開機后，運行H-ADCP程序，在第一設(shè)置框（見圖2）點擊指定數(shù)據(jù)，點擊OK后，進入第二設(shè)置框（見圖3）點擊指定數(shù)據(jù)，導(dǎo)入當年大斷面數(shù)據(jù)，再點擊OK，即可進行固定式H-ADCP比測。

圖2 運行H—ADCP程序第一設(shè)置框

圖3 運行H—ADCP程序第二設(shè)置框

（2）比測過程。比測開始：在同一時間，同一流速儀測流斷面，進行走航式ADCP和定點式H-ADCP比測。取走航式ADCP施測開始時間為比測開始時間，讀取對應(yīng)施測開始的固態(tài)水位，走航式ADCP采用兩個測回，要求每個測回流量誤差應(yīng)小于±5.0%，且兩個測回流量誤差應(yīng)小于±5.0%，即取兩個測回流量的平均值為比測流量Qm；比測結(jié)束：取走航式ADCP施測結(jié)束時間為比測結(jié)束時間，并讀取對應(yīng)施測開始的固態(tài)水位，取走航式ADCP施測開始、結(jié)束時間的平均值為比測時間Tm，所對應(yīng)施測開始、結(jié)束的固態(tài)水位平均值為比測水位Hm。負責定點式H-ADCP操作，按走航式ADCP施測開始、結(jié)束時間內(nèi)，摘取每5 min采集的各個指標流速值，取其平均值為比測指標流速Vi，比測過程結(jié)束。

（3）比測要求。按照《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》第5章第5.2.2的規(guī)定：①相關(guān)關(guān)系的建立應(yīng)以儀器實測流速和實測斷面平均流速為依據(jù)；②斷面平均流速可用流速儀精測法或走航式多普勒流速儀測量；③應(yīng)收集不同水位級的關(guān)系率定資料，分析各種情況下相關(guān)關(guān)系；④各水流條件關(guān)系率定的樣本數(shù)應(yīng)大于30；⑤定線精度指標應(yīng)符合SL247-1999要求；⑥應(yīng)選取相關(guān)關(guān)系最優(yōu)的關(guān)系線推算流量；⑦不同水情可采用不同的相關(guān)關(guān)系。因此，南寧（三）站定點式流量測驗比測應(yīng)大于30測次，按不同水位級、不同的流速進行比測，與走航式ADCP比測流量誤差應(yīng)小于±5.0%。

5.2 比測資料

南寧（三）站600 kHz（90 m）型定點式H-ADCP與RS-1000型走航式ADCP于2010年5月19日～9月17日進行了39次比測，比測水位范圍61.08～69.58 m，流量變幅308～5 490 m3/s;比測流速范圍0.04～1.15，與走航式ADCP比測流量誤差應(yīng)小于±5.0%。

5.3 比測分析

將南寧（三）站600 KHz（90 m）型定點式H-ADCP比測39次的資料在H-ADCP運行程序進行分析，單元數(shù)級別分成：5～50；5～55；5～60；5～65；5～70；5～75等5個進行重新計算單元數(shù)級別的流量誤差。計算方法：將走航式ADCP比測39次的流量、水位和定點式H-ADCP的指標流速Vi，錄入H-AD?CP定線通程序中進行計算。經(jīng)計算，優(yōu)選單元數(shù)：5～65，所得南寧（三）站2010年斷面平均流速Vm與指標流速Vi相關(guān)式及率定指標參數(shù)，分別為：

一元線性：

（2）（3）（4）式中：

Vm——斷面平均流速，m/s；

Vi——指標流速，m/s；

Hi——相應(yīng)水位，m。

通過對39份比測資料進行指標流速法率定，采用一元線性、二元線性、一元二次多項式計算，合格率分別為89.74%、100.0%、97.44%（見表1），各項技術(shù)指標符合定點式H-ADCP流量測驗的技術(shù)要求。

經(jīng)分析，采用二元線性法計算得各種技術(shù)指標優(yōu)于前后兩各分析法。因此，優(yōu)選二元線性法的關(guān)系式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi為南寧（三）站定點式H-ADCP率定公式（見圖4），用于推算流量。

表1 南寧（三）站2010年定點式H-ADCP指標流速率定參數(shù)計算表

圖4 南寧（三）站2010年斷面平均流速Vm與指標流速Vi相關(guān)線

6 應(yīng)用

6.1 應(yīng)用模型

南寧（三）站2010年定點式H-ADCP通過比測分析，得到南寧（三）站指標流速Vi～斷面平均流速Vm關(guān)系模型，即率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi。其中，率定參數(shù)b1=0.1 494，b2=0.1 979，b3=0.0108。對率定公式：Vm=0.1494+（0.1979+0.0108 Hi）Vi進行檢驗，相關(guān)線符號、適線、偏離檢驗均合理，曲線標準差2.37%，系統(tǒng)誤差-0.01%，符合《水文資料整編規(guī)范》流量檢驗要求。

6.2 數(shù)據(jù)采集

南寧（三）站定點式H-ADCP按照比測率定得指標流速Vi～斷面平均流速Vm關(guān)系模型參數(shù)輸入運行，進行流量自動監(jiān)測，按每5 min1個時段監(jiān)測1次，每1次指標流速監(jiān)測歷時為100 s，每2天采集定點式H-ADCP流量數(shù)據(jù)一次，采集的指標流速原始數(shù)據(jù)通過平滑處理后，根據(jù)率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi，計算時段斷面平均流速Vm和流量Qm，以每5 min讀取1個流量數(shù)據(jù)，采用實測流量過程線進行流量整理，并找出月最大、月最小流量。

采用率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi進行南寧（三）站2010年7月份流量推算。經(jīng)計算得，逐日平均流量的平均誤差為0.57%，最大誤差為-2.65%，月平均流量誤差為-0.53%，月最大流量誤差為0，月最小流量誤差為1.4%，符合《水文資料整編規(guī)范》流量整編要求。

6.3 應(yīng)用范圍

南寧（三）站2010年定點式H-ADCP水位范圍：61.08～69.58 m，流量：308～5 490 m3/s;流速范圍：0.04～1.15 m/s。

根據(jù)水利部《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》第2.2.6條:根據(jù)試驗資料確定的相關(guān)關(guān)系或模型應(yīng)進行校測，校測的樣本數(shù)應(yīng)不少于10次。當校測點明顯偏離原率定相關(guān)關(guān)系時，應(yīng)及時加密校測測次，以滿足重新率定相關(guān)關(guān)系。校測結(jié)果宜用統(tǒng)計檢驗法進行檢驗。當原相關(guān)關(guān)系與校測樣本有顯著性差異時，應(yīng)重新進行試驗并率定相關(guān)關(guān)系。

7 重新率定相關(guān)線

7.1 校測檢驗

南寧（三）站2010年定點式H-ADCP經(jīng)比測分析，確定率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108Hi）Vi，上報主管機關(guān)審批后，同意從2011年1月1日起，正式應(yīng)用定點式H-ADCP作為流量測驗的常規(guī)方法，其成果用于資料整編。應(yīng)用范圍：水位范圍：61.00～69.50 m；流速范圍：0.05～1.15 m/s。

在采用定點式H-ADCP測流期間，應(yīng)嚴格按《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》（SL337-2006）的有關(guān)規(guī)定做好流速關(guān)系校測工作，每年校測次數(shù)不少于10次，要求校測點據(jù)基本均勻分布于各流速級。并繼續(xù)做好水位69.50 m以上及指標流速大于1.15 m/s的比測率定工作。

南寧（三）站2011年定點式H-ADCP在校測中，出現(xiàn)了水位71.65 m大于69.50 m，指標流速1.22 m/s大于 1.15 m/s，指標流速 0.03 m/s小于 0.05 m/s；水位、指標流速均超出應(yīng)用范圍，校測點明顯偏離原率定相關(guān)線。因此，加密校測測次，共校測39次。對校測39次指標流速按原定率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108Hi）Vi進行流量檢驗。檢驗結(jié)果是：相關(guān)線符號、適線、偏離檢驗均不合理，曲線標準差16.51%大于4.0%，不合理，系統(tǒng)誤差-10.1%大于-2.0%，不符合《水文資料整編規(guī)范》流量檢驗要求。

7.2 重新率定

將南寧（三）站2011年定點式H-ADCP校測39次重新率定。按6.2比測分析的方法進行率定，以率定分析，確定重新率定相關(guān)式：Vm=0.0 473+（1.3 821-0.0 051Hi）Vi（見圖 4），其中，率定參數(shù) b1=0.0 473，b2=1.3 821，b3=-0.0 051。水位范圍：61.00～71.65 m；流速范圍：0.03～1.22 m/s。

圖4 南寧（三）站2011年斷面平均流速Vm與指標流速Vi相關(guān)線

7.3 相關(guān)分析

南寧（三）站2011年定點式H-ADCP重新率定相關(guān)線，經(jīng)相關(guān)法檢驗得知，相關(guān)線符號、適線、偏離檢驗均合理，曲線標準差1.90%，合理，系統(tǒng)誤差0.001%，符合《水文資料整編規(guī)范》流量檢驗要求。

南寧（三）站2011年定點式H-ADCP重新率定相關(guān)線，相關(guān)系數(shù)：0.99 965，合格率100%。

9 結(jié)語

南寧（三）站定點式H-ADCP按照《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》（SL337-2006）的有關(guān)規(guī)定，于2010年與走航式ADCP進行比測，2011年校測，與原相關(guān)關(guān)系與校測樣本有顯著性差異，重新率定相關(guān)線得：Vm=0.0 473+（1.3 821-0.0 051Hi）Vi，應(yīng)用范圍，水位范圍：61.00～71.65 m；流速范圍：0.03～1.22 m/s。

南寧（三）站定點式多普勒流速剖面儀600 kHz（90 m）型（定點式H-ADCP）正式應(yīng)用，實現(xiàn)了流量自動化監(jiān)測，解決了因西津電站調(diào)蓄水影響，造成測流多，水位流量關(guān)系線多又亂，過渡線多，定線難諸多問題。定點式ADCP應(yīng)用的優(yōu)點多，少測流，不定線；減輕工作強度，減少測驗成本；提高工作效率，提高監(jiān)測水平；安全快捷，準確可靠。

[1] 張裕海，聲學多普勒流速儀在浙江水文中的應(yīng)用[J]，水文，2010（1）：51.

[2]SL337-2006，聲學多普勒流量測驗規(guī)范[S].

（責任編輯：劉征湛）

Development and application of a model describing the relationship between index velocity from H-ADCP and mean cross-section velocity at Nanning Hydrological Station

WEI Guang-long
（Nanning Hydrological Station of Guangxi Hydrology and Water Resources Bureau，Nanning 530007,China）

At Nanning Hydrologicd Station,comparative measurements between H-ADCP and vessel-mounted AD?CP were conducted.Based on the calibration results of comparative measurement data,a model describing the rela?tionship between index velocity from H-ADCP and mean cross-section velocity was developed.Application of this model permits automatic flow measurement by H-ADCP at Nanning Hydrological Station.

Nanning Hydrological Station；horizontal acoustic Doppler current profiler（H-ADCP）;velocity rela?tionship;

P332

B

1003-1510（2016）02-0017-05

聲 明

《廣西水利水電》編輯部

2016-02-23

韋廣龍（1958-）男（壯族）廣西上思人，廣西水文水資源局南寧水文站工程師，從事陸地水文監(jiān)測和計算工作。

本刊已許可中國學術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社在中國知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中以數(shù)字化方式復(fù)制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播本刊全文。該社著作權(quán)使用費與本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意上述聲明。