單波束聲學(xué)多普勒流速儀垂向在線測流應(yīng)用研究

謝運(yùn)山 ，趙德友 ，張泉榮 ，姚允龍 ，范亞中

（1. 江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212028；2. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；3. 南京亞楠鴻業(yè)科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210029）

0 引言

江蘇省水文水資源勘測局于 2014 年 5 月部署了“1021 工程”，實(shí)施江蘇省水文測報(bào)方式改革，主要任務(wù)是在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)雨量、水位自動(dòng)測報(bào)的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)流量測報(bào)自動(dòng)化。鎮(zhèn)江水文分局為了落實(shí)省局的實(shí)施方案，于 2016 年 8 月在諫壁閘水文站安裝了聲學(xué)多普勒流速儀（ADCP）定點(diǎn)式垂向自動(dòng)測流系統(tǒng)（以下簡稱自動(dòng)測流系統(tǒng)），開始應(yīng)用單波束垂向式聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行流量自動(dòng)測報(bào)的應(yīng)用研究。

在流量測驗(yàn)中目前應(yīng)用較多的儀器包括轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式 ADCP、定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀（橫向式簡稱 H-ADCP，垂向式簡稱 V-ADCP）[1]等。其中 H-ADCP 和 V-ADCP 可以實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測，但是目前成功案例很少。V-ADCP 主要采用單波速形式，測驗(yàn) 1 個(gè)波速方向的流速。應(yīng)用 V-ADCP進(jìn)行垂向測流，由于安裝、維護(hù)不太方便，目前應(yīng)用相對較少，但由于采用代表垂線測流，與轉(zhuǎn)子式流速儀的代表垂線測流原理一致，因此采用 V-ADCP 垂線測流可以參考轉(zhuǎn)子式流速儀測流的方法，重點(diǎn)需要解決 V-ADCP 的安裝、垂線平均流速的計(jì)算等問題。以往 V-ADCP 在實(shí)際應(yīng)用中采用的安裝偏角過大，在測流斷面中監(jiān)測的有效流速幅度偏小，垂線平均流速的計(jì)算誤差偏大；由于水位的不斷變化，水面部分流速的影響因素較多，采用所有監(jiān)測的單元流速用算術(shù)平均法計(jì)算垂線平均流速不正確，造成率定的流速單斷關(guān)系不好，無法投入使用。為此，在諫壁閘水文站應(yīng)用 V-ADCP 進(jìn)行垂向流量測驗(yàn)，研究探索相關(guān)技術(shù)方法。

1 自動(dòng)測流系統(tǒng)建設(shè)情況

1.1 測站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測站負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集、存儲、上傳測流斷面的流量和水位數(shù)據(jù)，主要由 V-ADCP、水位計(jì)、工控機(jī)、通訊傳輸模塊、電源、防雷接地、數(shù)據(jù)管理軟件等組成，具體組成如圖 1 所示。

1.2 V-ADCP 相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 設(shè)備參數(shù)

圖 1 測站系統(tǒng)組成圖

投入安裝運(yùn)行的單波速 V-ADCP，最大測量距離為 21.5 m，最大流速為 ±3.75 m/s，最小單元尺寸為 0.25 m，最大單元數(shù)為 86 個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測河流流速。諫壁閘水文站最大實(shí)測斷面引水、排水平均流速分別為 2.18 和 -1.72 m/s，最大水深為 9.34 m。V-ADCP 最大流速、測量范圍和單元數(shù)等技術(shù)指標(biāo)完全滿足諫壁閘水文站流量測驗(yàn)需求。

V-ADCP 將測速垂線分成若干個(gè)單元（不同設(shè)備單元長度不一，同一設(shè)備也可以設(shè)置不同的單元長度），每 15 s 采集 1 次單元流速數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

1）單元流速濾波處理。V-ADCP 測流速度較快，1 次測流時(shí)間很短，由于受水流脈動(dòng)影響，單次采集的流速數(shù)據(jù)脈動(dòng)誤差較大，因此需要采用濾波方法對采集的單元流速進(jìn)行濾波滑動(dòng)處理。

2）垂線平均流速計(jì)算方法。根據(jù) GB 50179—2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》，流速儀采用 1，2，3，5，11 點(diǎn)測速時(shí)可以采用相應(yīng)的計(jì)算方法計(jì)算垂線平均流速[2]。

V-ADCP 采用多個(gè)單元測速，實(shí)測點(diǎn)流速較多。由于 V-ADCP 測流需要一定水深，因此在河底、盲區(qū)、第 1 個(gè)單元長度等區(qū)域無法進(jìn)行流速測驗(yàn)；在水面由于 V-ADCP 需要一定的偏角才能正常測速，水面流速也無法正確測驗(yàn)。所以規(guī)范規(guī)定的5 點(diǎn)或者 11 點(diǎn)的垂線平均流速計(jì)算方法難以應(yīng)用。為充分利用 V-ADCP 的多個(gè)實(shí)測點(diǎn)流速計(jì)算垂線平均流速，基于 GB 50179—2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》垂線平均流速的基本原理，研究采用相對水深某個(gè)區(qū)間的單元流速計(jì)算垂線平均流速，根據(jù)相應(yīng)單元流速 vi，通過算術(shù)或加權(quán)平均法計(jì)算每個(gè)代表線的平均流速（相當(dāng)于垂線平均流速）。

算術(shù)平均法計(jì)算方法如下：

加權(quán)平均法以水深為權(quán)重，計(jì)算方法如下：

式中：vi，vi-1分別為代表垂線上的單元流速；Hi，Hi-1分別為代表垂線上的單元流速 vi和 vi-1對應(yīng)的水深；Hn，Hk分別為采用代表垂線上的區(qū)間開始和結(jié)束的單元流速對應(yīng)的水深；k，n 分別是區(qū)間開始和結(jié)束的單元數(shù)（vn為第 n 個(gè)單元流速）。

根據(jù) GB 50179—2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》，應(yīng)用相對水深 0.2，0.6，0.8 m 等 3 個(gè)測點(diǎn)流速，采用二點(diǎn)法、三點(diǎn)法計(jì)算垂線平均流速的方法，可以得知相對水深 0.2～0.8 m 之間流速作為垂線平均流速的代表性較好，因此采用該區(qū)間多個(gè)實(shí)測單元流速計(jì)算垂線平均流速的精準(zhǔn)度比一點(diǎn)法、二點(diǎn)法、三點(diǎn)法高。

3）流量計(jì)算。由于 V-ADCP 采用代表垂線測流，得到的流速不是實(shí)測的斷面平均流速 v。因此需要建立代表垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系，據(jù)此計(jì)算斷面平均流速，再根據(jù)以下公式計(jì)算斷面流量：

式中：Qu為率定后的斷面流量；A 為測時(shí)平均水位對應(yīng)的斷面面積；a 為率定出的系數(shù)；k1，k2為 2 根代表垂線對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

通過多次流速對比監(jiān)測，率定出單位流速 vu（由 1 條或多條剖面平均流速按照算術(shù)或加權(quán)平均法計(jì)算出）與斷面平均流速的換算關(guān)系 a（vu，），再與測時(shí)水位下的斷面面積計(jì)算得到流量，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)監(jiān)測流量。

1.3 設(shè)備安裝

V-ADCP 適用于測流斷面代表垂線法測流。諫壁閘水文站根據(jù)轉(zhuǎn)子式流速儀歷年流量測驗(yàn)資料進(jìn)行代表垂線精簡分析，確定采用起點(diǎn)距為38.0，66.0 m 的 2 條測速垂線作為代表垂線測流。V-ADCP 采用仰視式測流，在 2 條代表垂線處的河底安裝 V-ADCP。安裝基礎(chǔ)在代表垂線位置打樁到河床以下 1.2 m，安裝自動(dòng)浮起裝置。

安裝完成后，V-ADCP 距離河床 0.32 m，設(shè)定的盲區(qū)距離河床 0.07 m，因此第 1 個(gè)測速點(diǎn)的位置在距離河床 0.64 m 的位置，依據(jù)聲學(xué)多普勒原理，V-ADCP 不能垂直安裝，但是安裝偏角的大小會影響測量的有效流速范圍，若偏角過大，采集的相對水深范圍就較小，將會影響垂線平均流速計(jì)算的精確度。因此，根據(jù)測流斷面的水深條件，V-ADCP采用 30° 偏角安裝。設(shè)備安裝示意圖如圖 2 所示。

圖 2 設(shè)備安裝示意圖（沿河流方向）

1.4 流量測驗(yàn)軟件與參數(shù)設(shè)置

采用的 V-ADCP 測流數(shù)據(jù)管理軟件分為自動(dòng)監(jiān)測站、中心站和率定分析三部分軟件，軟件設(shè)置均采用自動(dòng)同步方式，測站或中心站軟件設(shè)置參數(shù)完全一致。參數(shù)主要分為以下 3 個(gè)部分：

1）測站基礎(chǔ)信息，包括測站、大斷面、水文特征等信息；

2）儀器及安裝信息，包括 ADCP、水位計(jì)等儀器技術(shù)參數(shù)及安裝信息；

3）數(shù)據(jù)處理信息，包括流速、水位濾波參數(shù)信息及代表流速計(jì)算參數(shù)，代表流速與斷面平均流速關(guān)系參數(shù)。

在進(jìn)行具體參數(shù)配置時(shí)，應(yīng)對測站的基本信息、大斷面數(shù)據(jù)、儀器設(shè)備及數(shù)據(jù)處理方法等參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置，使軟件能夠選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)。

2 資料收集及分析選用

2.1 資料收集

根據(jù) GB 50179—2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》及SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》，通過采用轉(zhuǎn)子式流速儀常測法施測斷面平均流速對諫壁閘水文站的 V-ADCP 測驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行流速比測分析。

如果學(xué)校不結(jié)合產(chǎn)業(yè)，“閉門造車”培養(yǎng)出來的人才肯定不適應(yīng)生產(chǎn)一線，行業(yè)企業(yè)不參與人才培養(yǎng)模式的制定、課程的設(shè)置等，也將制約職業(yè)教育的發(fā)展。因此，鼓勵(lì)行業(yè)企業(yè)深度參與職業(yè)院校的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置勢在必行。如從職業(yè)院校的校級到系部級別，都要設(shè)立專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)委員會，主要由行業(yè)企業(yè)的現(xiàn)場專家組成。人才培養(yǎng)方案的制定要通過專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)委員會的審定。

根據(jù)鎮(zhèn)江水文分局在比測期間全部實(shí)測斷面流速成果（各測次常測法測流時(shí)間、斷面平均流速），按照相應(yīng)測次、測時(shí)提取代表線單元流速，計(jì)算測時(shí)內(nèi)各分鐘的垂線平均流速，然后計(jì)算出相應(yīng)測次的單位流速。

2.2 資料分析選用

1）根據(jù)實(shí)測點(diǎn)據(jù)在不同流速級的重疊情況，對測次作相應(yīng)篩減。

2）在率定前，對全部比測資料進(jìn)行合理性檢查，選取河道水流較為穩(wěn)定期間的比測資料作為樣本。

3）根據(jù)斷面垂線流速橫向分布規(guī)律，如果在一次漲落潮過程中測次垂線流速分布出現(xiàn)異常，說明測驗(yàn)存在誤差或其他干擾，應(yīng)予以剔除。

4）對自動(dòng)測流系統(tǒng)還處在調(diào)試階段的比測資料，不宜采用。

5）率定的樣本數(shù)應(yīng) ＞ 30 個(gè)，并盡可能涵蓋斷面平均流速的變化范圍。

6）考慮到諫壁閘站存在引、排水 2 種狀態(tài)，流量、流速的影響因素（閘內(nèi)外水位差、閘口過水?dāng)嗝娲笮〉龋┫嗤?，且以往在進(jìn)行流速儀法單斷速關(guān)系率定時(shí)，引、排水為綜合定線，因此本次單斷速關(guān)系率定采取引、排水綜合率定分析。

諫壁閘水文站對比測資料進(jìn)行篩選后，確定參與本次單斷速關(guān)系率定的樣本數(shù)為 248 個(gè)，其中引水 226 個(gè)，排水 22 個(gè)。

3 率定分析

3.1 單斷速關(guān)系率定

3.1.1 單位流速計(jì)算

式中：vui為每分鐘的單位流速；vmi，38.0，vmi，66.0分別為起點(diǎn)距 38.0 和 66.0 m 代表垂線每分鐘的垂線平均流速。

某測次常測法歷時(shí)對應(yīng)的單位流速 vu計(jì)算如下：

式中：t1和 t2分別為某測次常測法起始、結(jié)束時(shí)間；t 為某測次常測法測速歷時(shí)。

需要說明的是，公式（4）中的垂線平均流速是將 2 根代表垂線按算術(shù)平均法計(jì)算得到的，在不同的測站中需要根據(jù)流速分布情況確定垂線平均流速的計(jì)算方法，如采用權(quán)重系數(shù)法，此時(shí)的計(jì)算公式應(yīng)為如下形式：

3.1.2 單斷速關(guān)系率定

通過點(diǎn)繪 V-ADCP 單位流速 vu與轉(zhuǎn)子式流速儀法實(shí)測斷面平均流速關(guān)系線圖，可以定出兩者的換算系數(shù) a，公式如下：

3.1.3 率定結(jié)果分析

以轉(zhuǎn)子式流速儀常測法實(shí)測斷面平均流速為依據(jù)，篩選出的諫壁閘水文站不同斷面平均流速級下可進(jìn)行垂向式 V-ADCP 單斷速相關(guān)關(guān)系率定的樣本數(shù)，符合 SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定[3]，因此根據(jù)諫壁閘水文站以往定線經(jīng)驗(yàn)，對篩選出的諫壁閘水文站引、排水期流速比測數(shù)據(jù)共 248 測次合并綜合定線，得到如圖 3 所示的線性關(guān)系圖，同時(shí)生成率定成果表[4]。

根據(jù)線性關(guān)系得到的諫壁閘站 V-ADCP 垂向測流單斷速關(guān)系如下：

3.2 單斷速關(guān)系線合理性分析、定線精度評定

3.2.1 評定標(biāo)準(zhǔn)

對率定好的單斷速關(guān)系，根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》[5]第 3.3 條規(guī)定，進(jìn)行隨機(jī)不確定度、系統(tǒng)誤差計(jì)算，評定定線精度；根據(jù)第3.4 條規(guī)定進(jìn)行符號、適線和偏離等檢驗(yàn)的計(jì)算，評定定線合理性。

諫壁閘水文站為國家重要水文站，屬一類精度水文站，采用 V-ADCP 代表線法測流方式，根據(jù) SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》第 5.2.2 款規(guī)定，流量定線精度應(yīng)滿足 SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》第 3.3.2 款的規(guī)定，即，諫壁閘水文站V-ADCP 單斷速關(guān)系定線精度指標(biāo)為：隨機(jī)不確定度允許絕對值 ≤ 10%（單一曲線法），系統(tǒng)誤差允許絕對值 ≤ 1%。

3.2.2 精度評定

經(jīng)計(jì)算，諫壁閘水文站 V-ADCP 單斷速關(guān)系線系統(tǒng)誤差為 0.40%（＜ 1%），隨機(jī)不確定度為 9.4%（＜ 10%），滿足相關(guān)規(guī)范一類精度水文站（基本站、ADCP）流量定線精度規(guī)定。

3.2.3 合理性評定

經(jīng)計(jì)算，諫壁閘水文站 V-ADCP 單斷速關(guān)系線符號、適線和偏離等檢驗(yàn)全部通過，評定檢驗(yàn)表如表 1 所示。

3.3 生產(chǎn)應(yīng)用范圍確定

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次率定期內(nèi)轉(zhuǎn)子式流速儀法實(shí)測斷面平均流速范圍如下：引水為 0.06 ～ 0.77 m/s，排水為 - 0.31 ～ - 0.82 m/s；V-ADCP 法實(shí)測單位流速范圍如下：引水為 0.07 ～ 0.94 m/s，排水為 - 0.36～- 0.98 m/s。

根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》第4.4.17 款規(guī)定，諫壁閘水文站 V-ADCP 單斷速關(guān)系線高水可上延 30%，低水可下延 15% 應(yīng)用，因此諫壁閘水文站本次單斷速關(guān)系可生產(chǎn)應(yīng)用的范圍如下：依據(jù)實(shí)測斷面平均流速（轉(zhuǎn)子式流速儀），引水為 0.00～0.98 m/s，排水為 - 0.23～- 0.97 m/s；依據(jù)實(shí)測單位流速（V-ADCP），引水為 0.00～1.20 m/s，排水為 - 0.27 ～ - 1.17 m/s。

4 結(jié)語

通過對諫壁閘水文站 248 測次轉(zhuǎn)子式流速儀及V-ADCP 流速測驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，得到單斷速關(guān)系系數(shù)為 0.827。本次采用轉(zhuǎn)子式流速儀法對諫壁閘水文站 V-ADCP 進(jìn)行流量（流速）比測及資料符合規(guī)范要求，單斷速關(guān)系率定成果合理，定線精度符合規(guī)范要求。因此本次率定的諫壁閘水文站 V-ADCP單斷速關(guān)系可應(yīng)用于該站流量監(jiān)測生產(chǎn)中。

表 1 諫壁閘站單斷速關(guān)系合理性評定檢驗(yàn)表

但是按照規(guī)范要求，還需要加強(qiáng)每年的單斷速關(guān)系校測工作，以進(jìn)一步驗(yàn)證諫壁閘水文站V-ADCP 單斷速關(guān)系線。同時(shí)當(dāng)流速超出本次率定范圍時(shí)，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行比測，并與原率定樣本合并定線，以擴(kuò)大該站 V-ADCP 單斷速關(guān)系線的生產(chǎn)應(yīng)用范圍。