上海泖甸水文站水平式ADCP流量測(cè)驗(yàn)研究

(上海市青浦區(qū)水文勘測(cè)隊(duì)，上海 201799)

1 問(wèn)題的提出

河流流量測(cè)驗(yàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)驗(yàn)斷面平均流速和斷面面積，二者相乘得到測(cè)驗(yàn)時(shí)刻的斷面瞬時(shí)流量。傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方法一般是在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線，測(cè)量每條垂線處水深并用流速儀測(cè)量一至幾個(gè)點(diǎn)的流速?gòu)亩玫酱咕€平均流速，進(jìn)而得到斷面面積和斷面平均流速。傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)首先需要施測(cè)全斷面，再布置測(cè)深測(cè)速垂線，然后在全斷面各測(cè)深測(cè)速垂線上施測(cè)各測(cè)點(diǎn)流速，最后計(jì)算出斷面流量。傳統(tǒng)方法需要人工記數(shù)與計(jì)算，測(cè)流準(zhǔn)備工作繁瑣，耗費(fèi)人力資源量大，測(cè)流速度慢，效率低。

隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施，為適應(yīng)水利發(fā)展需要，水文工作中對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的精度、效率和自動(dòng)化、信息化要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)測(cè)流手段難以滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，新的測(cè)驗(yàn)方式、測(cè)驗(yàn)手段以及測(cè)驗(yàn)儀器逐步應(yīng)用于水文測(cè)驗(yàn)中，并取得了良好的效果。ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)即聲學(xué)多普勒流速剖面儀在流量測(cè)驗(yàn)中得到日益廣泛的應(yīng)用[1-6]，大大提高了流速測(cè)量的空間和時(shí)間分辨率，測(cè)量剖面深度范圍大，對(duì)高含沙量河流適用性較好，操作方便省力，能有效消除各種外界因素的影響。

采用ADCP開(kāi)展自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)，一般有水平式和垂直式兩種安裝方式。水平式ADCP通常安裝在河流一側(cè)水下合適的位置，通過(guò)測(cè)量代表水深的平均流速，再通過(guò)河道斷面面積計(jì)算出流量[7-8]；垂直式ADCP理論上應(yīng)安裝在河流中泓位置，通過(guò)代表垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系間接計(jì)算出斷面流量。不論是水平式還是垂直式，都需要開(kāi)展流量率定。不過(guò)，垂直式ADCP需要放置在河流中泓，不易架設(shè)，同時(shí)受航運(yùn)等因素的影響，安裝難度較大，而通常以水平式ADCP為最主要的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方式[9-12]。

本文利用上海市青浦區(qū)泖甸水文站比測(cè)成果，通過(guò)建立水平方向代表流速與全斷面平均流速間的相關(guān)關(guān)系，分析水平式ADCP流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 測(cè)站及比測(cè)概況

2.1 測(cè)站

泖甸水文站是黃浦江上游攔路港河流的一個(gè)控制性水文站，負(fù)責(zé)上游淀山湖下泄的水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)。泖甸水文站在東泖河和西泖河分叉口上游500 m處攔路港的河南岸(圖1)，所在監(jiān)測(cè)斷面寬約140 m，河底高程約-5.6 m，底寬約70 m。攔路港是黃浦江上游的一條弱感潮河流，1d之內(nèi)水位會(huì)隨著黃浦江下游潮漲潮落而出現(xiàn)一定幅度的變化，潮差約0.5 m，泖甸水文站所在的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e也因潮汐漲落而發(fā)生一定變化。受潮汐的影響，攔路港水流呈現(xiàn)往復(fù)流特征，在大潮期間尤為明顯。

泖甸水文站于2014年11月份安裝了一臺(tái)TRDI公司600kHz的CM600水平式ADCP。該儀器運(yùn)行至今，穩(wěn)定可靠，無(wú)異常數(shù)據(jù)的情況。

圖1 泖甸水文站位置示意

2.2 比測(cè)

為實(shí)現(xiàn)泖甸水文站ADCP流量測(cè)驗(yàn)的業(yè)務(wù)化、自動(dòng)化，需要開(kāi)展該站水平式ADCP的比測(cè)試驗(yàn)工作，通過(guò)尋求水平方向代表流速與全斷面平均流速間的相關(guān)關(guān)系，建立該站自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)的目標(biāo)。

分大、中、小潮3個(gè)時(shí)期分別開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)。其中，小潮期為2016年8月13～14日(農(nóng)歷七月十一至十二)，中潮期為2016年8月7～8日(農(nóng)歷七月初五至初六)，大潮期為2016年8月20～21日(農(nóng)歷七月十八至十九)。比測(cè)期間采用寬帶及相控陣ADCP進(jìn)行全斷面走航流量測(cè)驗(yàn)，走航式ADCP型號(hào)為T(mén)RDI公司的瑞智1 200 kHz。采用三體船安裝，借助測(cè)船拖曳ADCP實(shí)施測(cè)驗(yàn)。

比測(cè)開(kāi)始前，各相關(guān)設(shè)備借助GPS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)校準(zhǔn)，相互間偏差小于5 s，與水位觀測(cè)儀器時(shí)鐘的偏差小于10 s；走航測(cè)船、ADCP三體船及纜道等無(wú)磁性，當(dāng)環(huán)境有磁干擾影響ADCP內(nèi)置磁羅經(jīng)準(zhǔn)確度時(shí)，采用校準(zhǔn)后的外接GPS羅經(jīng)代替ADCP磁羅經(jīng)；走航式ADCP采用連續(xù)走航、連貫觀測(cè)的方式，一般情況下走航測(cè)船船速與流速基本保持一致。當(dāng)斷面流速較小、變率較大時(shí)，船速可適當(dāng)大于流速，但應(yīng)維持均勻穩(wěn)定。盡量縮短一次全斷面走航測(cè)次的總歷時(shí)，以保證測(cè)次施測(cè)歷時(shí)內(nèi)水位漲落變化不大于平均水深的5%，連續(xù)2個(gè)測(cè)次的潮流量變率不超過(guò)5%，從而減少非穩(wěn)定流對(duì)測(cè)次代表性的影響。比測(cè)時(shí)ADCP加載GPS信標(biāo)，記錄走航測(cè)次的實(shí)際航跡線，計(jì)算并設(shè)置測(cè)驗(yàn)斷面當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇牌牵珿PS輸出數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量輸出閥值，依據(jù)GPS計(jì)算走航測(cè)次的起始及結(jié)束岸邊距。

在運(yùn)用走航式ADCP進(jìn)行全斷面流量測(cè)驗(yàn)的同時(shí)，水平式ADCP實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，獲取同步系列數(shù)據(jù)。比測(cè)時(shí)水平式ADCP借助GPS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)校準(zhǔn)，相互間偏差小于5 s，與水位觀測(cè)儀器時(shí)鐘偏差小于10 s；比測(cè)時(shí)避免全斷面流量施測(cè)與代表流速施測(cè)相互干擾，如果二者的聲波相互侵占，則適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)兩斷面；水平式ADCP以其觀測(cè)歷時(shí)的開(kāi)始時(shí)刻作為測(cè)次時(shí)刻，將走航測(cè)次歷時(shí)對(duì)應(yīng)的水平式ADCP實(shí)測(cè)流速，借助3次樣條方法插值后取平均代表流速與走航測(cè)次相對(duì)應(yīng)；水平式ADCP的采樣時(shí)間間隔300 s，采樣平均時(shí)段90 s。

3 相關(guān)關(guān)系及顯著性檢驗(yàn)

ADCP流量測(cè)驗(yàn)仍然存在誤差控制和可靠性檢驗(yàn)的問(wèn)題[13]。為了簡(jiǎn)化分析，筆者假定通過(guò)一定的技術(shù)手段和誤差控制方法，使走航式ADCP測(cè)得的斷面平均流速是準(zhǔn)確可靠的[14-16]。在此前提下，才能建立水平方向代表流速與全斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系，否則由于誤差的傳遞，這種相關(guān)關(guān)系就沒(méi)有太大意義。因此，在建立相關(guān)關(guān)系時(shí)，首先要摘錄獲取全部走航測(cè)次對(duì)應(yīng)的代表流速與斷面平均流速定線數(shù)據(jù)組；其次，通過(guò)常用的關(guān)系曲線分別進(jìn)行回歸分析，通過(guò)各關(guān)系曲線的相關(guān)系數(shù)大小初步確定二者可能存在的相關(guān)關(guān)系；之后以隨機(jī)不確定度評(píng)估定線關(guān)系精度；最后對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離數(shù)值檢驗(yàn)并進(jìn)行比選，從而選出最優(yōu)的回歸關(guān)系。

在判定相關(guān)關(guān)系即定線關(guān)系的精度時(shí)，要求隨機(jī)不確定度χe越小越好，且不得大于15%。在檢驗(yàn)實(shí)測(cè)點(diǎn)偏離回歸曲線的偏離程度時(shí)，要求符號(hào)統(tǒng)計(jì)量μ的絕對(duì)值不超過(guò) 1.15，否則認(rèn)為實(shí)測(cè)點(diǎn)太散，偏離回歸曲線明顯。適線檢驗(yàn)方面，要求適線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值小于1.28，否則認(rèn)為適線性較差。偏離數(shù)值檢驗(yàn)方面，要求偏離統(tǒng)計(jì)量t的絕對(duì)值小于1.96，否則認(rèn)為測(cè)點(diǎn)偏離回歸關(guān)系曲線太遠(yuǎn)，回歸關(guān)系難以接受。

3.1 斷面平均流速與水平方向代表流速相關(guān)關(guān)系

為分析攔路港潮汐強(qiáng)度的變化對(duì)泖甸水文站斷面平均流速和水平方向代表流速相關(guān)性可能造成的影響，筆者按照小、中、大潮3種情況分別分析二者的相關(guān)關(guān)系及顯著性?？梢钥闯?，用走航式ADCP測(cè)得的斷面平均流速與用水平式ADCP測(cè)得的水平方向代表流速，呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：①變化過(guò)程非常一致，具有高度的擬合性；②顯著的線性相關(guān)性，且受小、中、大潮等潮汐強(qiáng)度的影響很?。虎蹪q急期水平方向代表流速要小于斷面平均流速，這種差距在小潮期不太明顯，最大差值僅 0.089 m/s，但在中潮和大潮期較明顯，最大可達(dá) 0.164 m/s。

通過(guò)對(duì)斷面平均流速與水平方向代表流速進(jìn)行線性回歸統(tǒng)計(jì)分析可以看出，不論是小潮、中潮還是大潮，二者都具有非常良好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R幾乎接近于1，且受潮汐強(qiáng)度的影響很小。

3.2 顯著性檢驗(yàn)

3.2.1 檢驗(yàn)方法

檢驗(yàn)回歸關(guān)系的顯著性通常有4種方法：隨機(jī)不確定度檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)。

(1) 隨機(jī)不確定度檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算關(guān)系點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估定線關(guān)系的精度，要求隨機(jī)不確定度不大于15%。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Se為實(shí)測(cè)系列標(biāo)準(zhǔn)差；χe為隨機(jī)不確定度；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；Vi為第i次實(shí)測(cè)斷面平均流速，m/s；Vci為第i次回歸斷面平均流速，m/s。

(2) 符號(hào)檢驗(yàn)。為了檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)偏離回歸曲線的明顯程度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)偏離曲線的正、負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)，對(duì)零值作正、負(fù)號(hào)各取半，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量。計(jì)算公式如下：

(2)

式中，μ為統(tǒng)計(jì)量，k為正號(hào)個(gè)數(shù)。

符號(hào)檢驗(yàn)要求顯著性水平α=0.25，臨界值μ1-α/2=1.15。如若統(tǒng)計(jì)量|μ|<μ1-α/2，檢驗(yàn)通過(guò)，接收原假設(shè)，否則拒絕檢驗(yàn)。

(3)適線檢驗(yàn)。對(duì)關(guān)系線進(jìn)行適線檢驗(yàn)，將測(cè)點(diǎn)值由低到高排列，從第二點(diǎn)起統(tǒng)計(jì)其對(duì)前一個(gè)點(diǎn)的正負(fù)號(hào)變換次數(shù)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

(3)

當(dāng)k<0.5(n-1)時(shí)，作該檢驗(yàn)，否則不作檢驗(yàn)。在此前提下，規(guī)定顯著性水平α=0.10，臨界值μ1-α=1.28。若統(tǒng)計(jì)量|μ|<μ1-α，接收檢驗(yàn)，否則拒絕檢驗(yàn)。

(4)偏離數(shù)值檢驗(yàn)。計(jì)算測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線的平均相對(duì)偏離值標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算公式如下：

(4)

偏離數(shù)值檢驗(yàn)要求顯著性水平α=0.05，臨界值t1-α/2=1.96(自由度k=n-1>60)。若統(tǒng)計(jì)量|t|

3.2.2 檢驗(yàn)結(jié)果

從對(duì)泖甸水文站小、中、大潮3個(gè)測(cè)驗(yàn)時(shí)段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的回歸分析顯著性檢驗(yàn)來(lái)看，3個(gè)時(shí)段的隨機(jī)不確定度、符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)結(jié)果均在可接受范圍之內(nèi)。這說(shuō)明，用該站水平式ADCP測(cè)得的水平方向代表流速和走航式ADCP測(cè)得的斷面平均流速，二者具有顯著的線性回歸關(guān)系，測(cè)驗(yàn)誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

因此，利用水平式ADCP測(cè)驗(yàn)水平方向代表流速，并通過(guò)這種線性回歸關(guān)系可間接得到該站測(cè)驗(yàn)斷面的平均流速，并利用水位斷面面積關(guān)系，可得到該站的斷面流量，從而實(shí)現(xiàn)泖甸水文站流量的自動(dòng)化、常態(tài)化連續(xù)觀測(cè)。

3.3 定線關(guān)系

上述測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，泖甸水文站水平式ADCP流速與斷面平均流速具有非常良好的線性相關(guān)關(guān)系。通過(guò)這種相關(guān)關(guān)系，可以利用水平式ADCP測(cè)驗(yàn)得到的水平方向代表流速，來(lái)獲得斷面平均流速和流量。

攔路港作為感潮河流，斷面平均流速與水平方向代表流速的相關(guān)關(guān)系式，即定線關(guān)系，一般有兩種形式，一種是按照漲潮、落潮和漲落潮全潮等不同的潮流期來(lái)定線，另一種是按照小、中、大潮等不同的潮汐強(qiáng)度來(lái)定線。二者之間存在一定差別，具體如表2和表3所示。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)工作的便利選擇使用。

表1 相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果

表2 不同潮流期定線關(guān)系

表3 小、中、大潮期定線關(guān)系

注：Vi表示水平方向代表流速，Vm表示斷面平均流速。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著聲學(xué)多普勒流速測(cè)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，走航式ADCP一般能夠得到較為準(zhǔn)確的斷面平均流速和斷面流量。但走航式ADCP最大的缺陷在于每次測(cè)驗(yàn)過(guò)程都需要過(guò)多人工操作和干預(yù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化和連續(xù)性。水平式ADCP通常安裝在河流一側(cè)岸邊，完全可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，在自動(dòng)化和連續(xù)觀測(cè)方面要明顯優(yōu)于走航式ADCP。但水平式ADCP監(jiān)測(cè)的斷面流速的代表性和準(zhǔn)確性方面受測(cè)驗(yàn)斷面條件(斷面寬度、水流特性等)的影響較大，其適用范圍受限。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析水平式ADCP與走航式ADCP同步測(cè)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的線性關(guān)系。通過(guò)這種關(guān)系可利用水平式ADCP測(cè)驗(yàn)成果間接得到測(cè)驗(yàn)斷面的斷面平均流速和斷面流量，將水平式ADCP與走航式ADCP相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)河流流量的自動(dòng)、連續(xù)、常態(tài)化觀測(cè)。

上海屬于平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河流的水文情勢(shì)容易受其他因素影響，水平式ADCP測(cè)得的水平方向代表流速與走航式ADCP測(cè)得的斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系并非固定不變。為了得到更可靠的流量測(cè)驗(yàn)成果，宜每隔1 a左右重新定線。

[1] 周鳳珍,趙昕.ADCP作為流量測(cè)驗(yàn)基本手段的思考[J].人民長(zhǎng)江,2005,36(12):35-37.

[2] 潘仁紅.水平式ADCP在水文應(yīng)用中的技術(shù)探討[J].水利水文自動(dòng)化,2005(4):45-47.

[3] 張峰.ADCP在山區(qū)性河流水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器,2013(2):92-93.

[4] 高怡.ADCP在太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)的應(yīng)用[J].水利水文自動(dòng)化,2005(3):26-27.

[5] 藍(lán)標(biāo),曲娟.聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP及其在水文測(cè)流中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器,2011(4):65-68,73.

[6] 歐芳蘭.ADCP在感潮水文站的使用[J].水利信息化,2011(1):40-43,54.

[7] 張孝軍,諶紅信,陳冬,等.水平式ADCP安裝方式探討[J].水資源研究,2008,29(2):30-31.

[8] 徐剛,胡焰鵬,樊云,等.H-ADCP實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2009(9):92-95.

[9] 鄭慶濤,唐健奇,張志敏.H-ADCP在流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2007,13(3):173-174.

[10] 王丙森,黃耀東.H-ADCP技術(shù)在蘇州河河口應(yīng)用的可行性分析[J].上海水務(wù),2015(3):58-60.

[11] 李沛,宗長(zhǎng)榮.H-ADCP在沿海擋潮閘流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].水利信息化,2016(4):41-44.

[12] 李德標(biāo),劉永亮.H-ADCP在平原水網(wǎng)區(qū)河道站流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用試驗(yàn)[J].江蘇水利,2015(4):38-41,44.

[13] 王玉書(shū),王維志,穆連波,等.走航式ADCP與轉(zhuǎn)子式流速儀流量測(cè)驗(yàn)對(duì)比分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2003(6):4-6.

[14] 宋政峰,席占平.走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)主要誤差來(lái)源及其控制[J].水文,2016,36(1):58-65.

[15] 蔣建平,段云雁.ADCP流量測(cè)驗(yàn)時(shí)底跟蹤失效的解決方案[J].水利水電快報(bào),2008,29(S):190-195.

[16] 謝波,田岳明,葉建紅.ADCP河流流量測(cè)驗(yàn)及其誤差分析[J].水資源研究,2007,28(4):34-36.