基于H-ADCP的河道斷面多層流速測量與流量計算

張國學(xué) 史東華 馮能操

摘要： 河道斷面流量準(zhǔn)確、高效監(jiān)測一直是水文在線監(jiān)測的重點(diǎn)，為解決因斷面流速分布數(shù)據(jù)收集難度大，指標(biāo)流速公式建模困難，現(xiàn)有在線測流技術(shù)普遍存在流量計算誤差偏大的問題，提出了一種基于H-ADCP河道斷面多層流速測量方法，并結(jié)合部分流量累加法給出了測量區(qū)和盲區(qū)的流量計算公式，以及基于此法的在線測流系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程。以南水北調(diào)中線渠首陶岔水文站測驗(yàn)斷面為例，將基于此法的流量計算成果和走航式ADCP實(shí)測流量成果進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明：此法構(gòu)建的在線流量監(jiān)測系統(tǒng)有較高的測量精度，時效性好，對H-ADCP流量在線監(jiān)測應(yīng)用推廣有較好的借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞： H-ADCP; 多層流速測量; 斷面流量計算; 陶岔水文站; 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號： ?P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.012

0 引 言

流量在線監(jiān)測是水文現(xiàn)代化發(fā)展趨勢[1-2]，當(dāng)前大多數(shù)在線監(jiān)測方法是基于指標(biāo)流速法來監(jiān)測的，即通過收集大量斷面流速分布資料，建立斷面平均流速與實(shí)時施測的特定點(diǎn)、特定水層、特定垂線的流速的函數(shù)關(guān)系式來推算斷面流量，實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測[3]。此方法假定實(shí)測代表流速與斷面平均流速有穩(wěn)定明確的函數(shù)關(guān)系，在函數(shù)構(gòu)建過程中有兩個難點(diǎn)，一是代表流速選擇較為困難;二是代表流速與斷面平均流速之間的函數(shù)關(guān)系式構(gòu)建較為困難，最終導(dǎo)致算出的在線流量與流速儀法測量結(jié)果相比有較大誤差。因此，流量在線監(jiān)測系統(tǒng)投入運(yùn)行前，需要開展大量的比測試驗(yàn)，對函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行修訂、驗(yàn)證[4-5]。另外河床沖淤變化也會引起斷面水流特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致代表流速與斷面平均流速之間的函數(shù)關(guān)系式不穩(wěn)定[6]。

本文提出了一種H-ADCP的河道斷面多層流速測量方法和斷面流量計算方法，對斷面部分流量權(quán)重大的區(qū)域進(jìn)行實(shí)測，對測量盲區(qū)部分進(jìn)行合理估計，規(guī)避了指標(biāo)流速法函數(shù)關(guān)系建立困難的問題，提高了測驗(yàn)精度，同時本文還介紹了基于此方法的在線測流系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1 H-ADCP河道斷面流速流量測算原理簡介

本文引入H-ADCP河道斷面多層流速測量及斷面流量計算系統(tǒng)，基于部分流量累加法實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測。此法通過把過水?dāng)嗝鎰澐殖扇舾蓚€測量單元，分別測量各個單元面積Ai和單元平均流速Vi，其中i表示單元序號，斷面流量Q可表示為

Q= ?n i=1 AiVi （1）

式中：n表示單元總個數(shù)。

如圖1所示，矩形區(qū)域是H-ADCP可測量區(qū)域，對應(yīng)部分流量記作Q測，其余測量盲區(qū)記作Q盲，斷面總流量Q可表示為

Q=Q測+Q盲 （2）

盲區(qū)包括表層區(qū)域、河底區(qū)域、岸邊區(qū)域，對應(yīng)部分流量分別記作Q表，Q底，Q岸，盲區(qū)部分流量可以用上述流量之和表示，即：

Q盲= Q表+Q底+Q岸 （3）

1.1 實(shí)測區(qū)部分流量測算

單元格流速用H-ADCP實(shí)測獲取。如圖1實(shí)測區(qū)流量單元格為矩形，單元格的寬度B在H-ADCP中設(shè)定，單元格的高度H取決于H-ADCP分層測量時的層間距。

每個流速單元序號記作A（i，j），其中i表示水平測流線序號，最上層水平線記作1號線，往下依次遞增;j表示單元格垂向分割線序號，大斷面起點(diǎn)位置記作第1條垂線，向河對岸依次遞增。流速單元格A（i，j）為i號水平線與j 號垂線交點(diǎn)右下方的單元格。測量前單元格寬度已經(jīng)預(yù)先設(shè)置，H-ADCP在大斷面上具有確定的位置坐標(biāo)，因此測得到的各點(diǎn)流速在大斷面上有確定的位置坐標(biāo)。以A（i，j）號單元格為例，其上邊線上有實(shí)測流速點(diǎn)v（i，j），下邊線上有實(shí)測流速v（i+1，j）。可以用上下邊線上的流速平均值作為單元格流速。

那么單元格A（i，j）部分的流量：Q（i，j）=BH[v（i，j），+v（i+1，j）]/2;

實(shí)測單元格總流量為

Q測= ??m-1，n i=1，j=1 Q（i，j） （4）

式中：m表示流速測量總層數(shù)，n表示每層流速單元格的數(shù)量。

1.2 測量盲區(qū)部分流量測算

從圖1可以看出，岸邊以及河底部分并不是規(guī)則的矩形單元格，表層單元格高度小于劃定的單元格，這些單元格實(shí)測流速點(diǎn)有限，有的甚至沒有實(shí)測流速，不能直接用上述方法進(jìn)行部分流量計算，這些測量盲區(qū)的流量通過合理估算得到。以表層部分流量為例進(jìn)行說明，岸邊及河底估算方法類似。

1.2.1 表層部分流量計算

表層與H-ADCP實(shí)測的最上層距離最近，其平均流速與該實(shí)測層耦合關(guān)系最密切，可以建立表層部分平均流速V表與H-ADCP實(shí)測最上層平均流速V1的線性關(guān)系式。

V表=α表V1 （5）

式中：α表表示表層部分平均流速與H-ADCP實(shí)測最上層平均流速的線性換算系數(shù);

V1通過H-ADCP實(shí)測的最上層各點(diǎn)流速取平均獲得，即V1= ??n j=1 v（1，j）/n;

表層部分面積A表可以根據(jù)斷面水位z、H-ADCP測量最上層的高程h1以及大斷面表計算獲得，即A表（z，h1），表層部分流量計算公式如下：

Q表=α表A表（z，h1） ??n j=1 v（1，j）/n （6）

其他盲區(qū)流量計算方法同理。

1.2.2 盲區(qū)流速換算系數(shù)

流速換算系數(shù)通過走航式ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到。以H-ADCP表層測量盲區(qū)為例，在表層盲區(qū)面積A表已知的情況下，先用走航式ADCP測量出表層盲區(qū)的流量Q表，表層盲區(qū)平均流速可表示為V表=Q表/A表，代入式（5）即可算出表層流速換算系數(shù)α表，其它盲區(qū)流速換算系數(shù)可以參照上述方法求得[7]。也可以從走航式ADCP測量數(shù)據(jù)中，摘錄該盲區(qū)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)，點(diǎn)個數(shù)3倍于H-ADCP測流單元格數(shù)，點(diǎn)均勻分布在盲區(qū)內(nèi)。將這些測點(diǎn)流速進(jìn)行算術(shù)平均，記作測量盲區(qū)的平均流速V表，代入式（5）也可算出表層流速換算系數(shù)α表，即

α表=V表/ V1 （7）

其他盲區(qū)流速換算系數(shù)計算方法同理。

1.2.3 盲區(qū)平均流速綜合換算系數(shù)

分別計算各個盲區(qū)流速換算系數(shù)，可以提高在線流量計算的精度，但是增加了流量計算的工作量，也增加了相關(guān)軟件開發(fā)難度?？梢詫⒏鱾€盲區(qū)面積進(jìn)行合并。設(shè)斷面過水面積為A（z），H-ADCP可測面積為A測，盲區(qū)總面積A盲可表示為

A盲= A（z）-A測

設(shè)走航式ADCP測量的斷面流量為Q走，且為斷面流量真值，H-ADCP測量盲區(qū)流量Q盲可表示為

Q盲= Q走-Q測 （8）

盲區(qū)平均流速V盲可表示為

V盲= （Q走-Q測）/ （A（z）-A測） （9）

拾取H-ADCP實(shí)測流速單元周圍各流速點(diǎn)，并求出這些點(diǎn)的流速算術(shù)平均值V周，盲區(qū)平均流速綜合換算系數(shù)α可表示為

α= V盲/ V周 （10）

基于此法斷面總流量Q可表示為

Q=Q測+αV周（A（z）-A測） （11）

2 在線流速測量系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

流速流量測算系統(tǒng)由斷面多層流速采集子系統(tǒng)和斷面流量計算子系統(tǒng)兩部分組成[8]。其中斷面多層流速采集子系統(tǒng)采集水位和斷面各個點(diǎn)流速，并將各點(diǎn)位置坐標(biāo)一并匯編成點(diǎn)流速報文，傳遞給斷面流量計算子系統(tǒng)，計算子系統(tǒng)內(nèi)置流量計算方法和河道斷面信息，根據(jù)接收的流速和水位信息，計算出斷面流量。

2.1 斷面流速采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

斷面流速采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、水位計、位置傳感器、H-ADCP、H-ADCP拖動設(shè)備等部件組成，各個部件作用如下。

數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)向水位計下發(fā)水位采集任務(wù)，收集水位數(shù)據(jù)，并根據(jù)水位情況向H-ADCP及其拖動系統(tǒng)布置測流任務(wù)，收集流速數(shù)據(jù)，最后將收集的水位、流速信息轉(zhuǎn)發(fā)給流量計算子系統(tǒng)。為了便于系統(tǒng)集成，本系統(tǒng)選用的水位計、位置傳感器、ADCP拖動系統(tǒng)的通信接口都為RS485總線接口，傳感器掛載在數(shù)據(jù)采集器的RS485總線接口上組成測控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部集成4G通信模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸，以1幀或多幀的方式將斷面不同單元的流速信息上傳給流速計算系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器也可以響應(yīng)流速計算系統(tǒng)遠(yuǎn)程下達(dá)的測量任務(wù)，并做好工作分解。

水位計測量水位，以便計算斷面過水面積，斷面流速測量方案通常由水位的高低確定。視測流斷面邊坡情況確定水位計的類型，一般選擇雷達(dá)水位計或者壓力式水位計，以穩(wěn)定可靠投資經(jīng)濟(jì)為基本原則。

位置傳感器用于感知H-ADCP的位置，用于定位H-ADCP在大斷面的坐標(biāo)（P，h），P表示H-ADCP的起點(diǎn)距，h表示H-ADCP的高程，H-ADCP駐測當(dāng)前層流速時，該層各點(diǎn)流速的高程坐標(biāo)與H-ADCP的高程坐標(biāo)相同，都為h。H-ADCP前方第一個流速點(diǎn)的坐標(biāo)是（（P+L+B），h），其中L表示H-ADCP前方盲區(qū)寬度，B表示單元格寬度，含義與第1節(jié)相同，同理H-ADCP前方第n個流速點(diǎn)的坐標(biāo)是（（P+L+nB），h）。系統(tǒng)配備的位置傳感器一般為軸編碼器，由圖2可知：拖動系統(tǒng)通過鏈條傳動，鏈條中部有換向齒輪。位置傳感器的感應(yīng)軸固定在換向齒輪軸上，齒輪軸轉(zhuǎn)動的角度與鏈條走動的距離成比例，齒輪的轉(zhuǎn)向與H-ADCP移動的方向?qū)?yīng)。安裝初期確定了H-ADCP的初始高程，結(jié)合位置傳感器記錄的位移，就可以推算出H-ADCP當(dāng)前高程。

H-ADCP拖動設(shè)備實(shí)現(xiàn)將H-ADCP拖動到預(yù)定高程水層，如圖3所示，拖動設(shè)備由PLC控制器、伺服電機(jī)控制器、伺服電機(jī)、減速機(jī)、運(yùn)載小車等5部分組成。H-ADCP固定在運(yùn)載小車上，小車在軌道上做直線運(yùn)動，伺服電機(jī)給小車提供運(yùn)動的動力，小車運(yùn)動方向、距離等停車位置信息由PLC控制器內(nèi)置程序控制。

數(shù)據(jù)采集器向PLC下發(fā)位置調(diào)整命令后，PLC控制器收悉后向伺服電機(jī)控制器下發(fā)電機(jī)運(yùn)行信號，伺服電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，電機(jī)運(yùn)行過程中同步向伺服電機(jī)控制器反饋狀態(tài)信號，如果接收到異常信號，則關(guān)停伺服電機(jī)，同時輸出告警信號，PLC控制器收到告警信號后，及時啟動內(nèi)部保護(hù)機(jī)制，向數(shù)據(jù)采集器報告異常信息（如電機(jī)過載等），數(shù)據(jù)采集器將收到的異常信息報送到流量計算平臺，以便系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員解除報警。系統(tǒng)配備減速機(jī)為蝸輪蝸桿減速機(jī)，用以保證運(yùn)載小車以合理的速度運(yùn)行，且當(dāng)電機(jī)關(guān)停后能鎖住運(yùn)載小車，避免因重力作用向下滑動。

為了避免運(yùn)行期間H-ADCP位置出現(xiàn)累計偏差，系統(tǒng)配備了基點(diǎn)對準(zhǔn)傳感器，系統(tǒng)每運(yùn)行1 d，PLC控制器驅(qū)動運(yùn)載小車運(yùn)行到基點(diǎn)和基點(diǎn)對準(zhǔn)傳感器校準(zhǔn)1次，保證H-ADCP位置準(zhǔn)確。

H-ADCP實(shí)現(xiàn)斷面各層各點(diǎn)流速測量。測量基于聲學(xué)多普勒頻移原理，傳感器發(fā)射的聲波脈沖遇到移動目標(biāo)（水中顆粒物）反射后頻率發(fā)生變化，頻率變化量與移動目標(biāo)速度成函數(shù)關(guān)系。假定水中顆粒物與水流速度相等，基于此法確定點(diǎn)流速;發(fā)射聲波脈沖和接收的反射聲波脈沖的時差與反射點(diǎn)和H-ADCP的距離成函數(shù)關(guān)系，基于此法確定相應(yīng)點(diǎn)的位置。

2.2 斷面流速采集子系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

為保證有較高的測量精度，基于該法測流需要科學(xué)確定測流層數(shù)、測層位置，合理確定H-ADCP運(yùn)行軌道長度，合理設(shè)置H-ADCP內(nèi)部參數(shù)。

2.2.1 流速測驗(yàn)層數(shù)和測層高程的確定

流速測驗(yàn)層數(shù)和測層高程直接影響到流量測驗(yàn)精度，需結(jié)合實(shí)際斷面和當(dāng)前水位情況2個要素確定。因H-ADCP測量存在盲區(qū)，斷面流量由實(shí)測部分流量和盲區(qū)估算部分流量組成，盲區(qū)部分流量估算會有偏差，為了提高斷面流量測驗(yàn)精度，實(shí)測部分面積應(yīng)該盡量大，盡量占斷面過水面積的70%以上。

基于該方法，H-ADCP依次運(yùn)動到各測層進(jìn)行測量，每運(yùn)動一步（從一個測層到下一個測層），通常歷時約30 s，每層測量歷時約90 s，以避免水的脈動對測量成果質(zhì)量的影響。測量層數(shù)多耗時就長，為了兼顧精度和效率，一般最多測量5層;結(jié)合大斷面情況，層間距可等寬也可以不等寬。也可以借鑒流速儀5點(diǎn)測流法，通過斷面當(dāng)前水位，依次計算出斷面相對平均水深0.2，0.4，0.6，0.8位置的高程，H-ADCP依次運(yùn)行到上述位置進(jìn)行測量。

另外，當(dāng)水位很低、H-ADCP可運(yùn)行的距離有限時，需視具體情況減少測量層數(shù)，一般最小層寬（測流單元格高度）不小于0.3 m。

為了減少測量層數(shù)提高測量效率也可以單層測量，單層測量位置可以用以下方法確定?？刂破黩?qū)動程序構(gòu)建前，用走航ADCP或者流速儀法測量斷面流量，反推斷面平均流速，然后在斷面上尋找測層平均流速與斷面平均流速最接近的特定層，作為H-ADCP的駐測層。在捕捉過程中可能會有多個水層和斷面平均流速接近，優(yōu)先選擇距離層流速最大且靠近水面的測層，因?yàn)檫@樣的測層有效測量寬度最大，實(shí)測流速點(diǎn)最多。當(dāng)水位變化后，這種特定流速層的高程會發(fā)生變化，需要動態(tài)調(diào)整，可以在高水位和低水位分別確定這樣的測層，依據(jù)這兩個高程建立水位與H-ADCP駐測高程的關(guān)系式，以簡化測次?；虿捎枚鄬訙y量與單層測量相結(jié)合的方式，內(nèi)部程序依據(jù)最新多層測量結(jié)果確定單層測量時H-ADCP駐測高程[8]。

2.2.2 軌道長度的確定

軌道長度取決于可測最低層高程、可測最高層高程、岸邊坡度等3個因素。其中可測最低層高程和可測最高層高程應(yīng)根據(jù)斷面情況及斷面多年水位變化特性確定。可測最高層高程應(yīng)取斷面多年最高水位值減去該水位級時H-ADCP最小淹沒深度（因?yàn)镠-ADCP 測量時發(fā)射的聲波波束呈發(fā)散狀，波束中軸距離水面太近，側(cè)瓣波束運(yùn)行一段距離后容易折射出水面，具體與河寬和傳感器的聲束的發(fā)射角有關(guān)）。當(dāng)水位較低時，為保證最小淹沒深度，H-ADCP的測層高程也降低，低到一定程度時聲波波束側(cè)瓣波束剛抵達(dá)對岸位置接近觸底，此時的高程定義為可測最低層高程。可測最高層高程和可測最低層高程區(qū)間為H-ADCP有效測量區(qū)間，通過確定的測量區(qū)間和岸邊坡度，即可確定軌道長度[9]。

2.2.3 H-ADCP其他測量參數(shù)的確定

和流量計算相關(guān)的參數(shù)主要包括測量盲區(qū)、單元格寬度、流速輸出格式等，這些參數(shù)一般通過水面寬來確定。當(dāng)水面較寬，盲區(qū)和單元格可以適當(dāng)設(shè)置寬一些，反之可以設(shè)窄一些。H-ADCP流速輸出主要有層平均流速和多點(diǎn)流速，因岸邊有測驗(yàn)盲區(qū)，計算岸邊流量時需要用到岸邊最近點(diǎn)的流速，因此流速輸出設(shè)置為多點(diǎn)流速格式。

2.3 斷面流速采集子系統(tǒng)工作流程

圖4為斷面流速采集系統(tǒng)執(zhí)行流程圖。執(zhí)行采集任務(wù)時，數(shù)據(jù)采集控制器首先向水位計發(fā)送查詢水位命令，待收到水位計反饋的水位信息后，數(shù)據(jù)采集器根據(jù)內(nèi)置測量算法，確定H-ADCP駐測位置高程和測量層數(shù)，再向伺服系統(tǒng)（H-ADCP 拖動系統(tǒng)）下發(fā)拖動指令，伺服系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)采集控制器下發(fā)的命令后，發(fā)出拖動命令收悉回執(zhí)。其后伺服系統(tǒng)根據(jù)命令指定的位置，開始拖動H-ADCP向目標(biāo)位置運(yùn)動，期間位置傳感器實(shí)時向伺服系統(tǒng)反饋H-ADCP的當(dāng)前位置，直至到達(dá)目標(biāo)位置，伺服系統(tǒng)向數(shù)據(jù)采集控制器發(fā)送拖動任務(wù)結(jié)束回執(zhí)。數(shù)據(jù)采集控制器收到回執(zhí)后，開始向H-ADCP發(fā)送測量命令，H-ADCP收到測量命令后開始測量，并反饋測量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集控制器收到H-ADCP的測量數(shù)據(jù)后向H-ADCP發(fā)送停止測量命令，先將當(dāng)前水位和H-ADCP高程發(fā)送到流量計算平臺（流量計算子系統(tǒng)），然后將當(dāng)前層的各點(diǎn)流速報文發(fā)送到流量計算平臺。完成上述測量任務(wù)后，數(shù)據(jù)采集控制器內(nèi)置程序布置新的測量任務(wù)，讓伺服系統(tǒng)拖動H-ADCP移動到新的測量層，完成其他水層流速測量，直到完成所有水層流速測量，如圖5斷面流速采集系統(tǒng)執(zhí)行時序圖，單層測量周期為2 min，多層測量則需歷時多個測量周期。斷面流量計算子系統(tǒng)接收完所有目標(biāo)水層流速數(shù)據(jù)后開始計算斷面流量。

2.4 斷面流量計算子系統(tǒng)

斷面流量計算子系統(tǒng)預(yù)先存貯大斷面數(shù)據(jù)以及河底、邊坡流速換算系數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)置第1節(jié)流量計算算法，當(dāng)算法必需的計算參數(shù)收集齊全后，即啟動流量計算程序，輸出斷面當(dāng)前流量。流量計算子系統(tǒng)收集的參數(shù)包括斷面水位、H-ADCP駐測各層流速時的位置（高程、起點(diǎn)距），流速點(diǎn)位置及流速等[10-11]。

斷面流量計算子系統(tǒng)嵌入了人機(jī)交互接口，便于用戶遠(yuǎn)程實(shí)時拖動H-ADCP測量期望層的流速，或者從河底到水面密集測量更多層的流速樣本以提高斷面流量測量精度。人機(jī)交互接口是對數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置測量方法的完善和補(bǔ)充。

綜上所述，該流量在線測量系統(tǒng)工作模式分2種，即：①測量模式為現(xiàn)場自動測量的模式，該模式需將測量任務(wù)預(yù)先置入到數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部，程序控制自動執(zhí)行。②測量模式為人工遠(yuǎn)程控制模式，在該模式下，數(shù)據(jù)采集器不主動發(fā)布測量任務(wù)，人工通過斷面流量計算子系統(tǒng)實(shí)時發(fā)布測量任務(wù)，相關(guān)任務(wù)指令由數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)發(fā)給各個部件，執(zhí)行測量任務(wù)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

采用上述方法，實(shí)測斷面點(diǎn)流速樣本比較豐富，且基于詳細(xì)的大斷面數(shù)據(jù)，計算相對復(fù)雜，一般通過計算機(jī)完成。限于篇幅，本文選擇斷面形狀相對規(guī)則的南水北調(diào)中線工程渠首陶岔水文站測驗(yàn)斷面，進(jìn)行了一次基于該方法的流量比測試驗(yàn)，并對測驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了校驗(yàn)分析說明。

3.1 陶岔水文站測驗(yàn)斷面情況簡介

陶岔站測驗(yàn)斷面位于渠首閘下1 300 m，渠道順直，水流順暢，流態(tài)平穩(wěn)，受上游彎道影響較小。斷面處為混凝土明渠，渠道左岸邊坡長約31 m，渠底寬約10 m，右岸邊坡長約32 m，兩岸邊坡約18°。大斷面如圖6所示。

根據(jù)實(shí)測大斷面數(shù)據(jù)，擬合的水位Z與過水面積A公式的關(guān)系式為

A（Z）=3.144 4Z2-875.54Z+60 935 （12）

式中：R2=0.999。

3.2 流量測驗(yàn)精度

3.2.1 實(shí)測區(qū)流量情況

水位為148.70 m時，過水面積為289.69 m2，最大水深7.6 m，相對深度0.6水層高程145.66 m，用走航式ADCP測得流量270 m3/s，同步用H-ADCP在測驗(yàn)斷面實(shí)測7層流速數(shù)據(jù)，自水下1 m深度位置（高程147.70 m）記作第1層，層間距1 m，H-ADCP測流單元格寬度1 m，設(shè)置盲區(qū)為1 m，測驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

基于該法，實(shí)測區(qū)面積222 m2（表1中層間實(shí)測面積之和），盲區(qū)面積67.69 m2，實(shí)測區(qū)面積占過水面積的76.6%，實(shí)測部分流量209.1 m3/s（表1中部分流量之和）。

3.2.2 盲區(qū)流速及盲區(qū)流量情況

因?yàn)閷?shí)測底層和表層更接近盲區(qū)，選取表層（0.953 m/s）和底層流速（0.771 m/s）均值作為盲區(qū)邊界平均流速，即（0.953+0.771）/2=0.862 m/s，

河底及邊坡為混凝土，通過查表岸邊系數(shù)取0.8，那么盲區(qū)部分流量為

67.69×0.862×0.8=46.68 m3/s，斷面流量為209.11+46.68=255.8 m3/s。

3.2.3 精度分析

以走航式ADCP測得的流量270 m3/s為真值，基于此法的多層流速流量測量結(jié)果為255.8 m3/s，相對誤差為-5.3%。

第3測層高程最接近相對水深0.6的位置，假定該層平均流速近似等于斷面平均流速，基于此原理的單層流速流量289.69×0.971=281.3 m3/s，同上基于此算法的相對誤差為4.2%。

綜合分析上述測驗(yàn)結(jié)果可以看出：2種流量測算方法都有較高精度，雖然第1種流量計算方法相對誤差稍大，這與岸邊系數(shù)的選取有較大關(guān)系，可以用上文所述方法，H-ADCP的盲區(qū)流量用走航式ADCP實(shí)測，然后反推岸邊系數(shù)，待斷面水位（或流量）發(fā)生一定變化后，再用率定的岸邊系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1） 基于該法實(shí)測流速樣本豐富，測點(diǎn)覆蓋過水?dāng)嗝娲蟛糠治恢?，?shí)測部分流量具有較高測量精度。

（2） 測驗(yàn)盲區(qū)平均流速換算系數(shù)通過走航式ADCP和H-ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)計算獲得，具有較高可信度，盲區(qū)部分流量具有較高精度。

（3） 該法應(yīng)用部分流量累加法施測流量，與基于指標(biāo)流速法測流系統(tǒng)相比，流量計算建模容易，前期不需要收集大量的高、中、低水測流樣本，即便斷面特性發(fā)生變化，模型參數(shù)矯正容易，斷面流量測驗(yàn)精度更高，且投產(chǎn)快。

（4） 整套測流系統(tǒng)靠近岸邊安裝，與走航式ADCP以及纜道測流方法相比，具有較高的安全性，更高的測流效率，適合流量在線測量，符合當(dāng)今水文行業(yè)巡測發(fā)展趨勢。

（5） 本文流量校驗(yàn)分析選取的測流斷面相對規(guī)整，實(shí)際測量層數(shù)為7層，對于天然河道，需要根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)確定H-ADCP軌道的安裝位置、測量層數(shù)、層間距，以提高測量精度和測量效率。

（6） 本系統(tǒng)對斷面特性有一定要求，適合水面寬在8～150 m，斷面平均水深在1 m及以上的河流流量測驗(yàn)。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

張國學(xué)，史東華，馮能操.

基于H-ADCP的河道斷面多層流速測量與流量計算

[J].人民長江，2021，52（8）：78-83，132.

Multi-layered velocity measurement and discharge calculation method

of river section based on H-ADCP

ZHANG Guoxue，SHI Donghua，F(xiàn)ENG Nengcao

（ Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Accurate and efficient monitoring of river cross-section discharge has always been the focus of online hydrological monitoring.In order to solve the problems，such as difficult to collect distributed data of river cross-section velocity and tough to build model for index velocity formula，large error in the existing online current flow measurement technology，we proposed a multi-layered velocity measurement method based on H-ADCP.The flow calculation formulas for the measured and blind areas are provided by the partial flow accumulation method.And the implementation process of on-line flow measurement system based on this method is introduced.Taking the test section of the Taocha Hydrologic Station at the head of the middle route of South to North Water Diversion Project as an example，we carried out error analysis on discharge calculation results based on this method and that based on navigable ADCP.The results show that the online flow monitoring system built by this method has high measurement accuracy and good timeliness，and it has a good reference to the application of H-ADCP used in flow on-line monitoring.

Key words：

H-ADCP;multi-layered velocity measurement;section discharge calculation;Taocha Hydrologic Station;Middle Route of South to North Water Diversion Project