H-ADCP 在沿海擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

李 沛，宗長(zhǎng)榮

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000）

H-ADCP 在沿海擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

李 沛，宗長(zhǎng)榮

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000）

主要研究 H-ADCP 在沿海擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用，通過(guò)黃沙港閘水文站安裝的 H-ADCP 與同斷面流速儀進(jìn)行同步比測(cè)率定，得到指標(biāo)流速 υi和斷面平均流速 υp關(guān)系公式：υp= 0.832 υi，同時(shí)關(guān)系線按照《水文資料整編規(guī)范》的要求進(jìn)行符號(hào)、適線及偏離等檢驗(yàn)，結(jié)果均符合規(guī)范要求，證明在率定范圍內(nèi)的關(guān)系符合規(guī)范要求。說(shuō)明只要選擇斷面位置正確，設(shè)計(jì)安裝合理，通過(guò)正確的比測(cè)率定，利用 H-ADCP 實(shí)現(xiàn)沿海擋潮閘的測(cè)流自動(dòng)化是完全可行的。

H-ADCP；沿海擋潮閘；流量測(cè)驗(yàn)；率定分析

0　引言

擋潮閘是建于濱海地段或河口附近，用來(lái)?yè)醭薄⑿畹?、泄洪和排澇的水閘。漲潮時(shí)關(guān)閉閘門(mén)，防止潮水倒灌進(jìn)入河道，攔蓄內(nèi)河淡水，滿(mǎn)足引水、航運(yùn)等的需要。退潮時(shí)，潮水位低于河水位，開(kāi)啟閘門(mén)，可以泄洪、排澇和沖淤。

在擋潮閘上游設(shè)立水文站點(diǎn)，進(jìn)行閘上水位和流量的觀測(cè)主要是掌握上游水位及入海水量變化，為防汛抗旱、本地區(qū)的規(guī)劃治理、工程管理和水資源開(kāi)發(fā)利用及水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和信息。目前水位觀測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在線觀測(cè)，但流量測(cè)驗(yàn)仍然依靠人工，存在工作強(qiáng)度大和實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，因此研究 H-ADCP 在沿海擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用，對(duì)于擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化的推動(dòng)起到促進(jìn)作用。

1　H-ADCP 流速率定方法

H-ADCP 的流速率定過(guò)程中，通常使用回歸法進(jìn)行流速率定計(jì)算，回歸法是建立 H-ADCP 實(shí)測(cè)流速（指標(biāo)流速）與河流斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系，相當(dāng)于用實(shí)測(cè)資料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行率定。

具體方法是，利用 H-ADCP 測(cè)量流速（指標(biāo)流速）的同時(shí)，用其它方法測(cè)量出河流的斷面真實(shí)平均流速；此時(shí) H-ADCP 測(cè)量的流速（指標(biāo)流速）與斷面平均流速相對(duì)應(yīng)。在不同的流量及水深情況下得出很多組指標(biāo)流速和斷面平均流速，通過(guò)回歸分析（采用最小二乘法），建立斷面平均流速與 H-ADCP 實(shí)測(cè)流速（指標(biāo)流速）之間的相關(guān)關(guān)系（回歸方程）。

流速回歸方程：υ = b1+ （b2+ b3H ） υI［1］，式中：υI= 指標(biāo)流速，b1，b2，b3為回歸系數(shù)，如果b3= 0（影響很小，近似為 0），則 υ = b1+ b2υI。

回歸方程建立后，在以后的測(cè)量過(guò)程中，由H-ADCP 連續(xù)地測(cè)量流速（指標(biāo)流速）和水位數(shù)據(jù)，根據(jù) H-ADCP 實(shí)測(cè)流速（指標(biāo)流速）和預(yù)先得出的回歸方程，即可計(jì)算出當(dāng)時(shí)的斷面平均流速，根據(jù) H-ADCP 實(shí)測(cè)的水位值和預(yù)先知道的大斷面就可以計(jì)算出當(dāng)時(shí)的過(guò)水面積，斷面平均流速和過(guò)水面積的乘積就是流量：Q = A? υ，

式中：A 為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；υ 為斷面平均流速。

2　率定分析

2.1代表站概述

目前沿海各擋潮閘的流量測(cè)驗(yàn)主要是使用流速儀法，利用測(cè)流纜道或橋測(cè)車(chē)進(jìn)行。為了研究H-ADCP 在擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用，江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局在沿海四大港閘中的黃沙港閘安裝了 H-ADCP 測(cè)流設(shè)備，并進(jìn)行了比測(cè)率定，率定范圍內(nèi)的流速關(guān)系獲得上級(jí)部門(mén)的認(rèn)可。以黃沙港閘站為代表站進(jìn)行 H-ADCP 在沿海擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用分析。

黃沙港為里下河腹部排水入海的主要干河，全長(zhǎng)約 89 km，底寬 40～90 m。為蓄淡御鹵，于 1972 年6 月建黃沙港閘，閘身總長(zhǎng) 126.1 m，共 16 孔，閘底板高程 -3.5 m（廢黃河口基面，下同），設(shè)計(jì)最大流量 1 418 m3/s，設(shè)計(jì)日平均流量 200 m3/s［2］。2012 年底為加強(qiáng)流量測(cè)驗(yàn)的自動(dòng)化研究，在閘上游210 m 處的流量測(cè)驗(yàn)斷面安裝了 H-ADCP 自動(dòng)化流量測(cè)驗(yàn)平臺(tái)，該測(cè)驗(yàn)斷面上下游河道順直，水流平穩(wěn)，無(wú)紊流區(qū)。

2.2儀器安裝高程選擇

為確保任何情況下都能夠進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)盡量保持定位、定點(diǎn)測(cè)量，以保證流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，設(shè)備主機(jī)安裝高程一般控制在當(dāng)?shù)刈畹退灰韵录s0.3 m。因黃沙港閘站多年平均低水位為 0.69 m，歷年最高水位 2.32 m，歷年最低水位 -1.06 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最終確定黃沙港閘站 H-ADCP 主機(jī)安裝位置的高程為 -1.25 m。如圖 1 所示。

圖1　黃沙港閘站 H-ADCP 安裝斷面圖

2.3率定分析

2.3.1比測(cè)安排

2013，2014 年進(jìn)行同步流量測(cè)驗(yàn)，均選擇閘門(mén)全開(kāi)的時(shí)段進(jìn)行，水情分布上盡可能涵蓋高、中、低水位，大、中、小流量（速）等。其中，常規(guī)測(cè)驗(yàn)采用測(cè)流纜道流速儀法，常規(guī)測(cè)法時(shí)全斷面布設(shè) 10 條垂線，每條垂線均測(cè)相對(duì)水深 0.2，0.8 m 的測(cè)點(diǎn)流速［3］；H-ADCP 以 10 min 采樣間隔進(jìn)行自動(dòng)測(cè)流。

2.3.2比測(cè)率定分析

2 年期間，共同步施測(cè)點(diǎn)數(shù) 73 個(gè)，對(duì)比測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行計(jì)算整理，并對(duì)測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行率定分析，得到黃沙港閘站指標(biāo)流速 υi和斷面平均流速 υp相關(guān)關(guān)系，如圖 2 所示。

流速公式：υp= 0.832 υi，相關(guān)系數(shù)：R2= 0.982，式中：υp為斷面平均流速；υi為指標(biāo)流速。

圖2　黃沙港閘站υi～υp關(guān)系曲線圖

2.3.3檢驗(yàn)分析

根據(jù) SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》中規(guī)定：關(guān)系曲線為單一曲線、使用時(shí)間較長(zhǎng)的臨時(shí)曲線及經(jīng)單值化處理的單一線，且測(cè)點(diǎn)在 10 個(gè)以上者，應(yīng)做符號(hào)、適線和偏離檢驗(yàn)［4］。因此對(duì)上述率定關(guān)系曲線做了 3 項(xiàng)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均符合資料整編規(guī)范要求，詳如表 1 所示。

表1　υi～υp關(guān)系線 3 項(xiàng)檢驗(yàn)成果表

2.3.4H-ADCP 斷面水位面積相關(guān)分析

通過(guò)斷面測(cè)量，取得足夠多的水位和面積數(shù)據(jù)，進(jìn)行大斷面數(shù)據(jù)分析［5］，得出水位面積關(guān)系公式，如圖 3 所示。相關(guān)系數(shù)：R2= 0.99；面積公式：A = 123.99 Z + 231.82，

式中：A 為斷面面積；Z 為水位。

2.3.5流量測(cè)驗(yàn)誤差分析

利用指標(biāo)流速關(guān)系公式計(jì)算得到的斷面平均流速與水位面積關(guān)系得到的面積相乘，得到 H-ADCP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的流量，與纜道流速儀測(cè)得的流量進(jìn)行誤差分析，通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)，繪制不同水位下的流量誤差分布圖，得到如下結(jié)果：最大誤差 13.9%，最小誤差 0.2%，平均誤差 1.3%，相對(duì)誤差 ≤ 5% 的合格率為 76.7%，相對(duì)誤差 ≤ 10% 的合格率為 97.3%。詳如圖 4 所示。

圖3　H-ADCP 測(cè)流斷面水位面積關(guān)系圖

圖4　水位～流量誤差分布圖

3　校測(cè)分析

SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，試驗(yàn)資料確定的相關(guān)關(guān)系或模型應(yīng)進(jìn)行校測(cè)，校測(cè)的樣本數(shù)應(yīng)不少于 10 次。當(dāng)校測(cè)點(diǎn)明顯偏離原率定相關(guān)關(guān)系時(shí)，應(yīng)及時(shí)加密校測(cè)測(cè)次，以滿(mǎn)足重新率定相關(guān)關(guān)系。校測(cè)結(jié)果宜用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)原相關(guān)關(guān)系與校測(cè)樣本有顯著性差異時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)并率定相關(guān)關(guān)系［6］。

2015 年鹽城市，汛前水情基本平穩(wěn)，汛期屢遭梅雨、臺(tái)風(fēng)暴雨和夏日強(qiáng)對(duì)流降水襲擊，降水量較常年偏多三成，河網(wǎng)水位多次超警戒，受害嚴(yán)重。黃沙港閘水文站在 2015 年特殊的水情工況下，選擇高、中、低水情條件，合理安排時(shí)間進(jìn)行 H-ADCP測(cè)流校測(cè)，實(shí)測(cè)得 21 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì) 2015 年校測(cè)測(cè)量成果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)υi～υp關(guān)系與 2013，2014 年黃沙港閘站的比測(cè)率定關(guān)系基本吻合，流速校測(cè) υi～υp關(guān)系如圖 5 所示。同時(shí)通過(guò)對(duì)黃沙港閘站 2015 年 21 個(gè)測(cè)點(diǎn)與測(cè)定的υi～υp關(guān)系曲線做學(xué)生氏 t 檢驗(yàn)，得到 | t | = 1.71＜1.96，符合學(xué)生氏 t 檢驗(yàn)要求，推出結(jié)論：原關(guān)系曲線仍可使用。

圖5　黃沙港閘站 2015 年流量校測(cè)關(guān)系圖

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從測(cè)驗(yàn)斷面布設(shè)情況來(lái)看：該測(cè)驗(yàn)斷面上下游河道順直，水流平穩(wěn)，無(wú)紊流區(qū)；從儀器安裝位置來(lái)看：儀器安裝高程合適；從測(cè)驗(yàn)資料的檢驗(yàn)分析成果來(lái)看：該站 H-ADCP 指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系檢驗(yàn)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)均符合 SL 247 —2012《水文資料整編規(guī)范》要求，指標(biāo)和斷面平均流速關(guān)系成單一關(guān)系。在今后的使用過(guò)程中，通過(guò)進(jìn)一步加強(qiáng)率定范圍內(nèi)的關(guān)系線校測(cè)和其他不同水情條件下的比測(cè)率定工作，能夠利用H-ADCP 實(shí)現(xiàn)黃沙港閘的流量自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)工作。

黃沙港閘的堰閘規(guī)模、閘下港道及排澇能力在沿海眾多擋潮閘中有較好的代表性，因此，其他沿海擋潮閘，通過(guò)合理選擇儀器型號(hào)、安裝斷面、確定合適的安裝高程，做好流量比測(cè)率定，可以使用H-ADCP 這款自動(dòng)化測(cè)流設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的流速儀測(cè)流，以實(shí)現(xiàn)沿海擋潮閘的流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化目標(biāo)。

［1］ 田淳，劉少華. 聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用［M］. 鄭州：黃河水利出版社，2003: 180-185.

［2］ 陳錫林，沈長(zhǎng)松. 江蘇水閘工程技術(shù)［M］. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2013: 158-171.

［3］ 中華人民共和國(guó)水利部.河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范：GB 50179—2015 ［S］. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015: 72-73.

［4］ 中華人民共和國(guó)水利部. 水文資料整規(guī)范：SL 247—2012 ［S］. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2012: 14-16.

［5］ 張楠，時(shí)秀梅，單志學(xué). 利用 EXCEL 精確計(jì)算水位面積曲線的方法［J］. 陜西水利，2013: 210-211.

［6］ 中華人民共和國(guó)水利部. 聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范：SL 337—2006 ［S］. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2006: 3-4.

Application of H-ADCP in Coastal Tidal Sluice Flow Test

LI Pei， ZONG Changrong
（Yancheng Branch of Jiangsu Provincial Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Yancheng 224000， China）

The article main researches application of H-ADCP in coastal tidal sluice discharge tests. By comparing data of H-ADCP installed in the hydrological station of Huang Shagang sluice with data of current meter in the same cross section synchronous， it gets the relationship formula of index flow velocity and section mean velocity:vp = 0.832 vi. In accordance with the requirements of ＜the code for the hydrological data reorganize＞， it does sign test，the optimum line inspection and deviation inspection for the relationship line at the same time. Results show that relationship within the scope of the rate constant conforms to the requirements of the specification. Just choosing correct section position， reasonable design and installation， right ratio measurement rate， it is completely feasible to realize current automation of coastal tidal gate by using H-ADCP.

H-ADCP； coastal floodgate； flow test； calibration analysis

P335+.1

A

1674-9405（2016）04-0041-04

10.19364/j.1674-9405.2016.04.009

2016-05-09

李 沛（1962- ），男，江蘇徐州人，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源、水文信息化等工作。