郴州水文站水平式ADCP流量系數(shù)率定分析

【摘 要】近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)防汛抗旱的重視，越來(lái)越多的河流受到水利工程影響，郴水河作為流經(jīng)城市市區(qū)的河流，因其具有景觀河的需求，因此長(zhǎng)期蓄水水位在1.80m以上。為了解決郴州水文站流量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題，減少工作強(qiáng)度，探索水平式ADCP在郴州站河流流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用，本文以郴州水文站水平式ADCP與轉(zhuǎn)子式流速儀同步測(cè)驗(yàn)水面平均流速計(jì)算數(shù)據(jù)為依據(jù)，

【關(guān)鍵詞】水平式ADCP；率定分析；郴州水文站

1 前言

郴州水文站所管轄的河流郴水河是一條流經(jīng)城區(qū)的河流，隨著近幾年政府對(duì)文明城市環(huán)境的重視進(jìn)行了河道改造，在郴水河上下游設(shè)置了大大小小18座小型閘壩。2012年下半年郴水河長(zhǎng)期處于蓄水狀態(tài)，水位經(jīng)常在1.80m以上。郴州水文站2013年8月安裝了水平式ADCP，但因?yàn)榕鋫錀l件不成熟，儀器受到干擾影響造成數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，無(wú)法利用該儀器的性能特點(diǎn)服務(wù)工作，為此我站于2016年8月重新改造儀器安裝位置并更換了儀器，現(xiàn)安安裝的儀器為T(mén)RDI CM 600 ADCP，通過(guò)改進(jìn)后，現(xiàn)在1.80m以上水位返回的數(shù)據(jù)信號(hào)穩(wěn)定可靠。為確保測(cè)驗(yàn)精度，充分利用該儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，2016年8月-12月，站里職工對(duì)水平式ADCP與轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行了實(shí)測(cè)流量比測(cè)，共比測(cè)了69次，率定了水平式ADCP的流速系數(shù)。

2 基本情況

2.1 測(cè)驗(yàn)及斷面情況

本站于1959年設(shè)立，流域面積354k㎡，位于湖南省郴州市蘇仙區(qū)郴水河左岸蘇園橋下游30m處，是省級(jí)重要水文站，區(qū)域代表站，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水量、水環(huán)境監(jiān)測(cè)。流量為二類(lèi)精度站。本站是為探求流量特征的空間分布規(guī)律、區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用、水利工程建設(shè)和防洪抗旱提供科學(xué)依據(jù)，為郴州市的城市建設(shè)及安全防洪而設(shè)立。

測(cè)驗(yàn)河段順直，中、高水中泓位置在起點(diǎn)距29.0～45.0m之間，水位達(dá)5.00m左右時(shí)，右岸開(kāi)始漫灘，其漫灘寬度達(dá)34m左右，水位達(dá)7.00m左右時(shí)，左岸開(kāi)始漫灘，漫灘寬度達(dá)8m左右。河床組成由卵石夾沙，歷年較為穩(wěn)定?；?0m處建有一座兩墩三孔水泥公路橋，基下約2380m處于2004年新建成水泥公路橋一座，基下約2500m處于2012年6月新建四普莊鋼壩，用于人工造湖，建成蓄水抬高本站水位約1.80m以上。

河床為“U”形斷面，左右斷面均用石塊護(hù)坡， 為水平式在線ADCP安裝和數(shù)據(jù)的精確性提供了重要的基礎(chǔ)。

2.2固定式H-ADCP工作原理

ADCP又稱(chēng)聲學(xué)多普勒水流剖面儀，是采用了一種稱(chēng)之為聲學(xué)多普勒頻移的物理原理來(lái)測(cè)量水流的速度，是一種收發(fā)兼容（收發(fā)兼容是指同一個(gè)換能器既發(fā)射聲波，又接收聲波的工作方式）的多普勒流速儀。該儀器可提供0.001 m/s的流速測(cè)量分辨率和0.002 m/s的測(cè)流分辨率，最大流速測(cè)量可達(dá)到5 m/s。

其測(cè)量原理是：如果一個(gè)聲源與接收聲波物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收聲波物體所接收到的聲波頻率與聲源發(fā)射的聲波頻率之間有一個(gè)差異，即有一個(gè)多普勒的頻移。對(duì)于多普勒流速儀，可以用一個(gè)公式來(lái)表示這個(gè)頻移的關(guān)系：

這里：Fd = 接收物體接收到聲波的頻率變動(dòng)（多普勒頻移）

Fo = 聲源發(fā)射的超聲波頻率

V = 表示聲源與接收體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度（即：引起距離變化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度）；當(dāng)聲源與接收體之間的距離增加時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的速度為+。

C = 聲波傳播的速度。

3 比測(cè)目的、內(nèi)容

由于郴州水文站近幾年受政府景觀壩工程影響，河流長(zhǎng)期處于關(guān)閘蓄水狀態(tài)，水位在1.80m-2.60m之間平穩(wěn)變化，該系統(tǒng)可做到實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，每10min可以傳輸一組流速流量數(shù)據(jù)回來(lái)。采用轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行測(cè)驗(yàn)工作需要每天進(jìn)行測(cè)量，為了利用好流量實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，減少測(cè)驗(yàn)工作強(qiáng)度，確定ADCP的率定系數(shù)，故采用水平式ADCP和Ls（78）型轉(zhuǎn)子式流速儀同步進(jìn)行比測(cè)69份流量，并分析單次流速誤差。

4 水平式ADCP系數(shù)分析

4.1分析方法

將水平式ADCP在線測(cè)流系統(tǒng)指標(biāo)流速與流速儀實(shí)測(cè)流量平均流速進(jìn)行比測(cè)分析，并建立關(guān)系線。為確保資料一致性和精度，實(shí)測(cè)流量選用了測(cè)流平均時(shí)間作為和流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的同步時(shí)間，如系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)間與實(shí)測(cè)流量平均時(shí)間出現(xiàn)偏差，則盡可能選擇其接近時(shí)間。

4.2 相關(guān)系數(shù)分析

將比測(cè)時(shí)間段內(nèi)收集到的69分流量資料，對(duì)水平式ADCP在線指標(biāo)流速與實(shí)際測(cè)量斷面平均流速進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比以及誤差分析，分析內(nèi)容包括，絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、系統(tǒng)誤差等。

4.3關(guān)系率定

本次率定分析資料的時(shí)間段為2016年8月27日～2016年12月21日，共收集了69份率定分析資料，實(shí)測(cè)流速變幅為0.04 m/s～1.04m/s，水位變幅1.80m – 3.00m。本次V指標(biāo)～V實(shí)測(cè)相關(guān)關(guān)系率定關(guān)系線，參與分析的測(cè)點(diǎn)69個(gè)，建立相關(guān)公式為： y = -0.2575x2 + 1.1353x - 0.0158，相關(guān)系數(shù)R2 = 0.9966。

對(duì)水平式ADCP流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)率定的Q指標(biāo)～Q實(shí)測(cè)關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)、適線和偏離數(shù)值三個(gè)檢驗(yàn)分析，以確定率定曲線是否正確可行。

4.4 關(guān)系線檢驗(yàn)

結(jié)果：上述三種方法對(duì)流速關(guān)系曲線的檢驗(yàn)，均達(dá)到規(guī)范要求，認(rèn)為定線正確。

在實(shí)際操作中，用水平式ADCP中的指標(biāo)流速到關(guān)系線上查得線上流速，再以線上流速與實(shí)測(cè)面積的積作為流量成果。

5 結(jié)論

（1）指標(biāo)流速和在線流速V指標(biāo)～V實(shí)測(cè)相關(guān)關(guān)系率定關(guān)系采用相關(guān)公式為： y = -0.2575x2 + 1.1353x - 0.0158，關(guān)系精度滿(mǎn)足要求。

（2）由于該儀器的安裝高程限制，目前主要適用于水位高于1.80m的河流情況。

（3）水平式ADCP流量計(jì)是一種先進(jìn)的、技術(shù)含量高的測(cè)流儀器，它能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)流量，具有安裝簡(jiǎn)便，日常運(yùn)行成本低，維護(hù)少，快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)外界抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)不同水流具有較好的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993年

[2]水文資料整編規(guī)范 水利部，2012年

[3]水文測(cè)驗(yàn)使用手冊(cè) 中國(guó)水利水電出版社

作者簡(jiǎn)介：劉婷利，（1988-11-）女，湖南嘉禾，助理工程師，本科，現(xiàn)在主要從事工作水文監(jiān)測(cè)。