南京水文實驗站ADCP流量測驗方法改進研究

韋立新 蔣建平 曹貫中

(長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011)

南京水文實驗站ADCP流量測驗方法改進研究

韋立新 蔣建平 曹貫中

(長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011)

針對傳統(tǒng)的ADCP走航式流量測驗頻次偏少、成本偏大等問題，南京水文實驗站建設(shè)了ADCP在線測流系統(tǒng)，實現(xiàn)了流量的實時監(jiān)測及全年流量的過程推求。在對系統(tǒng)簡單介紹的基礎(chǔ)上，與傳統(tǒng)ADCP走航式測流進行比較，結(jié)果吻合。進一步研究了該系統(tǒng)的測量精度，根據(jù)實測流速的范圍，將12次全潮水文測驗分為流速較大和較小兩種情況，并依次代入考慮不同指標流速的5種方案，分別進行計算。結(jié)果表明，模型中綜合考慮垂線平均流速和水平平均流速的計算結(jié)果精度要優(yōu)于只考慮某一單項指標流速的情況。在實際工作中，應(yīng)盡量完整、準確地監(jiān)測垂線平均流速和水平平均流速，使模擬值更加準確、有效。

在線測流；平均流速；ADCP走航式；ADCP在線測流系統(tǒng)；感潮河段；多元線性回歸

1 研究背景

在長江下游干流，大通至江陰長約445 km的感潮河段，至今只有唯一一座水文站——南京水文實驗站。南京水文實驗站位于南京第三長江大橋與京滬高速鐵路大勝關(guān)大橋之間，測驗斷面下游3 km處有梅子洲橫亙江中；測驗河道屬分汊河型，河床沖淤變化不大，水流以單向徑流為主,受感潮影響，水文特性復(fù)雜。

自2004年建站直至2010年，因水文測驗設(shè)備和技術(shù)等多方面原因，測站采用ADCP走航式施測流量，只提供有限測次實測成果且無法整編，缺乏系統(tǒng)的水文資料。這在很大程度上制約了水文站的功效和作用。由于ADCP在線測流系統(tǒng)具有流速實時采集、精度高、速度快、頻次多、信息量大的特點，與傳統(tǒng)ADCP走航式測流相比，節(jié)省了大量時間和人力[1-3]，使流量的實時監(jiān)測成為可能，因此，在我國徐六涇、黃陵廟等水文站得到應(yīng)用[4-6]。為了滿足長江下游防汛測報、水資源管理與開發(fā)利用、河道管理與穩(wěn)定長江河勢、大型水利工程建設(shè)等對感潮河段水文資料的要求，從2009年開始，南京水文實驗站實施建設(shè)了ADCP在線測流系統(tǒng)。2010年11月，ADCP在線測流系統(tǒng)試運行并于2014年起正式投產(chǎn)。隨著ADCP在線測流系統(tǒng)的啟用，南京水文實驗站實現(xiàn)了流量的實時報汛和過程推求，填補了長江感潮河段流量測驗系列資料的空白[7]。

2 流量測驗方法對比

2.1 測流方法介紹

(1) ADCP走航式測流。這是通過測船配置ADCP及高精度GPS與羅經(jīng)設(shè)備，以走航方式施測斷面通量的一種測驗手段。該手段借助先進的儀器設(shè)備確保流量施測的精度，但其測驗方式?jīng)Q定了頻次很難提高。每測次需以走航方式施測兩測回，每測回橫渡江面往返各一次，以南京水文實驗站測驗斷面的寬度，一測次測流時間需1 h以上，效率低，成本高。南京水文實驗站自建站以來的幾年內(nèi)，按照水文局測站任務(wù)書要求，每年在大、中、小潮采用ADCP走航式施測流量，時機均選擇在代表日平均流量的穩(wěn)定時段(高潮后2～3 h)進行。在不同流量級還進行了多次全潮水文測驗，以檢驗高潮后2～3 h施測流量的代表性(即該流量是否接近日平均流量)，在此基礎(chǔ)上探討流量推求的方法。

(2) ADCP在線測流系統(tǒng)。南京水文實驗站ADCP在線測流系統(tǒng)主要采用水平式ADCP和定點ADCP相結(jié)合的方式?？紤]到斷面水流特性及在線測流設(shè)備數(shù)據(jù)通訊和安全等因素，在南京水文實驗站防汛碼頭躉船上游 3.0 m(測驗斷面上90 m)安裝水平式ADCP，用于右岸深槽指標流速的測定；在同一斷面距離右岸流終樁約670 m處布設(shè)浮標船安裝定點ADCP自動測量垂線流速，見圖1。通過建立在線測流系統(tǒng)中指標流速與實測斷面平均流速的多元統(tǒng)計回歸模型，研究參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，從而達到擬合斷面平均流速的目的。在大斷面歷年沖淤變化較小的情況下，通過水位的自動監(jiān)測，并借用大斷面數(shù)據(jù)來計算過水斷面面積，進而推求斷面流量。ADCP在線測流系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)最終傳送到中心站的數(shù)據(jù)庫，可實時顯示和在線查詢。流量監(jiān)測頻率為10 min/次，基于密集的流量數(shù)據(jù)采用實測流量過程線法進行全年流量資料的整編。每年需在不同流量級采用ADCP走航式進行全潮水文測驗，用于率定回歸系數(shù)。

圖1 南京水文實驗站ADCP在線測流系統(tǒng)設(shè)備布置

2.2 測流方法比較

對比ADCP走航式測流，ADCP在線測流系統(tǒng)在很大程度上減輕了南京水文實驗站流量測驗的工作量和施測成本。兩種不同測量方法的影響因素的比較見表1。

表1 不同測流方法各因素比較

2.3 流量成果的對比

2011年南京水文實驗站以ADCP走航式施測穩(wěn)定時段流量共計76次，計算年徑流量為7 141×108m3，同年，ADCP在線測流系統(tǒng)試整編年徑流量6 719×108m3，2011年長江下游干流控制站大通站的年徑流量為6 671×108m3。以兩種不同方式計算的南京水文實驗站全年日均流量過程線與該年度大通站日均流量過程線對比見圖2，顯然ADCP在線測流系統(tǒng)整編流量過程與大通站的日平均流量總體趨勢基本趨于一致，而ADCP走航式施測的流量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)系統(tǒng)偏大。

圖2 2011年日均流量過程線對照

此外，感潮河段流量與水位的周期性對應(yīng)關(guān)系應(yīng)符合感潮河段的水流特性，而ADCP走航式施測穩(wěn)定時段流量僅能反映日平均流量，不能體現(xiàn)流量受潮汐影響的變化過程；同時若考慮采用連實測流量過程線法整編流量，以ADCP走航式測流的施測頻次也遠遠不能滿足要求。

3 ADCP在線測流系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 數(shù)學(xué)原理

全潮水文測驗所測斷面平均流速可視為水平式ADCP和定點ADCP采集兩大指標流速的函數(shù)，而線性關(guān)系則是體現(xiàn)多指標間相互關(guān)系的最基本函數(shù)。因此，通過多元線性回歸分析揭示指標流速與斷面平均流速之間的線性關(guān)系，建立多元線性回歸模型。

某一監(jiān)測時期內(nèi)，斷面平均流速V可認為是水平平均流速Vh和垂線平均流速Vf的線性函數(shù)，如下式所示

表2 全潮數(shù)據(jù)區(qū)間范圍

V=C+aVf+bVh

(1)

3.2 應(yīng)用效果分析

南京水文實驗站在2010～2012年施測全潮水文測驗，共計12次，其中每次監(jiān)測頻數(shù)以及流量、水位、潮差的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出:①全潮測量涵蓋不同流量級，從-4 493 m3/s到63 552 m3/s的大、中、小潮，能較為全面地反映實際情況；②2010年11月7日～6月11日以及2011年10月19日～2012年3月25日時段內(nèi)的8次監(jiān)測流量最大值31 517 m3/s，流量相對較小；2011年6月19～20日及2012年7月20日～9月9日時段內(nèi)4次監(jiān)測流量最小值36 325 m3/s，流量相對較大。

8次小流量全潮實測流速最大值為1.02 m/s，4次大流量全潮實測流速最小值為1.04 m/s。為了解不同流速范圍內(nèi)模型的有效性，對8次流速相對較小的全潮以及4次流速較大的全潮分別進行回歸分析?？紤]水平式ADCP的50～100 m以及150～200 m兩種測量范圍，取其監(jiān)測數(shù)據(jù)作為水平平均流速Vh1、Vh2，選取浮標定點ADCP監(jiān)測數(shù)據(jù)作為垂線平均流速Vf可考慮以下5種方案：①只考慮垂線平均流速Vf與斷面平均流速V之間的關(guān)系； ②只考慮水平平均流速Vh1與斷面平均流速V之間的關(guān)系； ③只考慮水平平均流速Vh2與斷面平均流速V之間的關(guān)系；④綜合考慮垂線平均流速Vf、水平平均流速Vh1與斷面平均流速V之間的關(guān)系；⑤綜合考慮垂線平均流速Vf、水平平均流速Vh2與斷面平均流速V之間的關(guān)系。

3.2.1 流速相對較小情況

對8次流速相對較小的全潮監(jiān)測數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，并求取回歸系數(shù)C、a、b及復(fù)相關(guān)系數(shù)R，計算結(jié)果如表3所示。

表3 小流速全潮監(jiān)測數(shù)據(jù)多元統(tǒng)計回歸分析

由表3可以看出：

(1) 5種方案的計算結(jié)果都比較理想，復(fù)相關(guān)系數(shù)R值均在 0.97以上；

(2) 綜合考慮水平平均流速和垂線平均流速的方案，擬合效果明顯優(yōu)于單因素指標模型；

(3)比較只考慮單一指標流速的方案，盡管都可有效地反映實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，但其擬合精度存在一定差異，垂線平均流速優(yōu)于水平平均流速；

(4)綜合考慮水平平均流速和垂線平均流速的方案中，方案5略優(yōu)于方案4，即含有150～200 m水平層水平平均流速的方案更優(yōu)。該方案下斷面平均流速實測值與擬合計算值的過程曲線如圖3所示。

圖3 小流速全潮時間段(方案5)斷面平均流速

從圖中可以看出，計算值擬合效果較好，與實測值基本一致，表明該模型在流速相對較小的全潮條件下，可以得到有效的應(yīng)用。

3.2.2 流速相對較大情況

對4次較大流速情況下的全潮監(jiān)測數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，求取回歸系數(shù)C、a、b及復(fù)相關(guān)系數(shù)R，按上述的5種方案考慮，計算結(jié)果如表4所示。

表4 大流速全潮監(jiān)測數(shù)據(jù)多元統(tǒng)計回歸分析

由表4可以看出：

(1) 對于4次較大流速監(jiān)測數(shù)據(jù)，在5種方案下計算得到的復(fù)相關(guān)系數(shù)R總體較為理想，方案5的復(fù)相關(guān)系數(shù)較高，方案2的復(fù)相關(guān)系數(shù)較低。這說明在斷面平均流速相對較大的情形下，模型擬合效果也較好，但對比表3中小流速條件下的相應(yīng)結(jié)果，相關(guān)性減弱。

(2) 方案4和方案5的擬合效果優(yōu)于方案1、方案2和方案3，即在較大流速全潮監(jiān)測時段，綜合考慮垂線平均流速和水平平均流速的計算結(jié)果也要優(yōu)于單獨只考慮某一指標流速。

(3) 只考慮單一指標流速時，方案3相對較優(yōu)；而綜合考慮水平平均流速和垂線平均流速的方案中，方案5略優(yōu)于方案4。可繪制方案5下斷面平均流速實測值與計算值，如圖4所示。

圖4 較大流速全潮時間段(方案5)下斷面平均流速

從圖中可以看出，在流速相對較大的全潮時段，計算值與實測值之間擬合效果仍相對較好，表明模型在該條件下仍可得到有效應(yīng)用。

4 結(jié) 語

本文介紹了南京水文實驗站流量測驗方法的改進,主要采用多元線性回歸分析方法，通過ADCP在線監(jiān)測的指標流速對實測斷面平均流速進行擬合。結(jié)果表明，12次全潮監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果中，8次流速較小全潮時間段計算值的擬合效果略優(yōu)于4次較大流速全潮時間段。模型中綜合考慮垂線平均流速和水平平均流速，其計算結(jié)果的精度要優(yōu)于只考慮某一單項指標流速的情況。因此，在實際工作中，應(yīng)盡量完整、準確地監(jiān)測垂線平均流速和水平平均流速，從而使模型模擬結(jié)果更加準確、有效。

在ADCP走航式測流不能滿足流量報汛及整編要求時，通過建設(shè)ADCP在線測流系統(tǒng)，實現(xiàn)了流量的實時監(jiān)測和全年流量過程的推求，有效解決了感潮及潮汐河段流量測驗難度大、測驗精度不能滿足整編要求等難題，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 韓繼偉，符偉杰，唐躍平，等. ADCP流量生成模型及相應(yīng)計算方法研究[J].水文,2014,34(6):9-13.

[2] Sassi MG, Hoitink AJF, VermeulenB. Discharge estimation from H-ADCP measurements in a tidal river subject to sidewall effects and a mobile bed[J]. Water Resources Research, W06504,doi:10.1029/2010WR009972,1-14.

[3] Marsden R, Huang Hening,Wei Jinchun.Yangtze River ADCP discharge measurement using multiple external sensor inputs[C]//Proceedings of the IEEE Working Conference on Current Measurement, 2003:27-29.

[4] 朱巧云，高健，劉桂平，等．長江河口段徐六涇水文站潮流量整編代表線法研究[J]．水文，2008，28(4):61-64．

[5] 杜耀東，宋星原，王?。瓾-ADCP在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用[J]．人民長江，2008，39(3):57-59.

[6] 王發(fā)君，黃河寧．H-ADCP流量在線監(jiān)測指標流速法定線軟件“定線通”介紹與應(yīng)用[J]．水文，2007，27(4):63-65．

[7] 韋立新，蔣建平，曹貫中．基于ADCP實時指標流速的感潮段斷面流量計算[J].人民長江，2016,47(1)：27-30．

(編輯：李 慧)

2017-03-31

韋立新，男，長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局副局長，副書記，高級工程師.

1006-0081(2017)06-0011-04

P335.1

A

水文測驗