基于代表性垂線流速的在線流量測(cè)驗(yàn)方法研究

周紹陽(yáng) 謝雅蕾 蔣建平

摘要：

為提高流量在線測(cè)驗(yàn)精度，以長(zhǎng)江下游干流八里江水文站為例，收集了八里江水文站2009～2021年84份流量測(cè)驗(yàn)成果，在分析測(cè)站特性的基礎(chǔ)上，研究了該水文站流量測(cè)驗(yàn)斷面平均流速與代表性垂線流速的關(guān)系，并計(jì)算了在線流量精度。結(jié)果表明：八里江水文站起點(diǎn)距為 850 m和1 500 m 的兩條垂線平均流速與斷面平均流速的確定性系數(shù)在0.97以上，推求流量不確定度為9.20%，滿足一類水文站流量測(cè)驗(yàn)精度要求；起點(diǎn)距為850 m和1 500 m的兩條測(cè)速垂線適宜作為V－ADCP自動(dòng)測(cè)流設(shè)備安裝位置?；诖硇源咕€流速的在線流量測(cè)驗(yàn)方法可實(shí)現(xiàn)流速實(shí)時(shí)采集，提高流量測(cè)驗(yàn)精度并降低測(cè)驗(yàn)成本。

關(guān)鍵詞：

流量測(cè)驗(yàn)； 垂線流速； ADCP； 八里江水文站； 長(zhǎng)江下游

中圖法分類號(hào)：P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.005

文章編號(hào)：1006-0081（2023）04-0028-06

0 引 言

流量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)江河某一橫斷面的水體體積，是反映江河等水體水量變化的基本數(shù)據(jù)，也是河流最重要的水文特征值［1］。傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法主要有流速儀法、浮標(biāo)法、水力學(xué)法等。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，流量監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度逐步提高。傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法在水文站流量測(cè)驗(yàn)中發(fā)揮了積極作用，但存在操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大及工作效率低等缺點(diǎn)，難以滿足目前水文站點(diǎn)快速增加和功能擴(kuò)展的要求［2-3］。2019年水利部水文司下發(fā)《關(guān)于印發(fā)水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求的通知》（辦水文［2019］199號(hào)），要求今后水文站原則上按照自動(dòng)站建設(shè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守和自動(dòng)測(cè)報(bào)。為此，改進(jìn)傳統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)方式，廣泛推進(jìn)流量在線監(jiān)測(cè)，提高水文自動(dòng)化程度和效率，具有十分重要的意義［4-5］。然而，流量在線監(jiān)測(cè)在許多水文站點(diǎn)應(yīng)用效果有待提升［6-7］，存在不做測(cè)站特性分析，不做本土化方案，盲目投產(chǎn)的現(xiàn)象。因此，本文針對(duì)上述現(xiàn)狀，以長(zhǎng)江下游干流八里江水文站為例，詳細(xì)闡述了在線流量測(cè)驗(yàn)的方法和步驟，以期為同類型的水文站流量在線監(jiān)測(cè)提供參考。

1 測(cè)站概況

八里江水文站地處江西省湖口縣金沙灣工業(yè)園，位于長(zhǎng)江下游上下三號(hào)洲河段，東經(jīng)116°17′51.1″，北緯29°47′42.1″，具體區(qū)位見(jiàn)圖1。流量測(cè)驗(yàn)斷面呈V形，斷面上游4.5 km處為張家洲，約10 km處右岸為鄱陽(yáng)湖入?yún)R長(zhǎng)江；下游約12 km處為上三號(hào)洲，約19 km處為下三號(hào)洲。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約16 km，河寬約2.0 km。主泓靠近右岸，河槽左岸堤邊有灘地，右岸起點(diǎn)距1 600 m左右為深槽。河床大部分為沙土組成。八里江水文站為國(guó)家基本水文站，也是江西省和安徽省的省界水資源斷面，設(shè)站目的是監(jiān)測(cè)鄱陽(yáng)湖入?yún)R長(zhǎng)江后的長(zhǎng)江干流水量，為收集基本水文資料、防汛抗旱、水資源監(jiān)督管理服務(wù)。因該站為流量巡測(cè)站，系列資料有缺失，實(shí)測(cè)最高水位為22.12 m（2020年），最大流量為89 400 m3/s（1954年）。最低水位為6.92 m（2007年），最小流量為7 580 m3/s（1953年）。八里江水文站為流量巡測(cè)站，流量資料不要求整編，為流量測(cè)驗(yàn)精度二類站，2009～2022年采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）測(cè)流。

2 在線流量測(cè)驗(yàn)方法

2.1 測(cè)驗(yàn)方式

從測(cè)驗(yàn)原理來(lái)看，在線流量測(cè)驗(yàn)可以通過(guò)流速面積法和水力學(xué)法來(lái)實(shí)現(xiàn)［8］。水力學(xué)法利用水位流量關(guān)系，由測(cè)得的水位通過(guò)水力學(xué)公式計(jì)算得到流量，分為量水建筑物法和水工建筑物法，多應(yīng)用于較小河流。流速面積法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，該方法通過(guò)實(shí)測(cè)斷面流速與斷面面積來(lái)推求流量。流速面積法根據(jù)測(cè)流儀器差異可以分為水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（H-ADCP）法、垂直式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（V-ADCP）法、電波法、超聲波時(shí)差法等［9］。然而H-ADCP法一般要求河面寬度小于H-ADCP的剖面范圍，且存在低水位時(shí)探頭外露和高水外延等問(wèn)題［10］，電波法一般需要配合纜道使用，且易受大風(fēng)大雨及測(cè)量角度影響，低流速誤差大［11］，超聲波時(shí)差法一般應(yīng)用于人工渠道，且土建成本高，運(yùn)行維護(hù)難度大［12］，均不適用于八里江水文站。V-ADCP法是將ADCP安裝在水面或河底，聲束垂直向下或向上發(fā)射，監(jiān)測(cè)某一斷面代表垂線的流速，根據(jù)安裝位置的不同分為浮標(biāo)式和座底式，座底式一般適用于人工渠道或地質(zhì)較平緩河流，大江大河一般采用浮標(biāo)式。該方法具有不受水體影響的優(yōu)勢(shì)，僅要求V-ADCP聲速能夠覆蓋明渠斷面主要部分，且能有效解決H-ADCP法流量在線監(jiān)測(cè)時(shí)存在的相關(guān)線建立周期長(zhǎng)、受航運(yùn)影響大、低水位時(shí)探頭外漏和高水外延等問(wèn)題，在中國(guó)應(yīng)用較為廣泛［13-14，8］。同時(shí)V-ADCP在線測(cè)流系統(tǒng)具有流速實(shí)時(shí)采集、精度高、速度快、頻次多、信息量大的特點(diǎn)［15-16］，與走航式ADCP測(cè)流相比，節(jié)省了大量時(shí)間和人力，且能夠?qū)崿F(xiàn)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。結(jié)合八里江水文站基本情況，本文選擇V-ADCP法（浮標(biāo)式）用于八里江水文站流量在線測(cè)驗(yàn)。

2.2 ADCP測(cè)驗(yàn)原理

ADCP是根據(jù)多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量剖面流速的，其換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后聆聽(tīng)被水體中顆粒物散射回來(lái)的聲波。聲學(xué)多普勒頻移則由下式確定：

Fd=2FsVc（1）

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移，Hz；Fs為發(fā)射波頻率，Hz；V為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度，m/s；c為聲波在水中的傳播速度，m/s。

根據(jù)公式（1）便可計(jì)算出水流速度。計(jì)算公式如下：

V=1000FdC2FscosA（2）

式中：V為水流速度，m/s；C為ADCP換能器表面處的聲速，m/s；A為波束方向與流速方向的夾角，（°）。

2.3 代表流速法原理

代表流速法專指通過(guò)建立代表流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系計(jì)算斷面流量的方法。對(duì)于控制條件較好的測(cè)站，采用單一代表流速實(shí)現(xiàn)在線流量監(jiān)測(cè)，例如秦淮河流域句容河前垾村水文站采用代表垂線流速法實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)［17］。對(duì)于特別復(fù)雜的河段，采用多個(gè)代表流速與斷面平均流速建立關(guān)系實(shí)現(xiàn)在線流量測(cè)驗(yàn)，例如南京水文實(shí)驗(yàn)站采用H-ADCP結(jié)合V-ADCP獲取代表流速，構(gòu)建多元線性回歸方程實(shí)現(xiàn)在線流量測(cè)驗(yàn)［18］。

本文采用基于代表性垂線流速的在線流量測(cè)驗(yàn)方法，選擇V-ADCP（浮標(biāo)式），通過(guò)實(shí)時(shí)采集代表垂線的流速數(shù)據(jù)，計(jì)算代表垂線的平均流速，再建立代表垂線平均流速與斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系。計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖2。其斷面平均流速和斷面流量分別用公式（3）（4）計(jì)算。

V—=FVi（3）

Q=V—A（4）

式中：Vi為代表流速，m/s，i =1，2，…，n；V—為相應(yīng)的斷面平均流速，m/s；FVi為流速與斷面平均流速之間的函數(shù)關(guān)系；Q為斷面流量，m3/s；A為斷面面積，m2。

3 斷面分析

3.1 測(cè)站測(cè)流斷面穩(wěn)定性分析

本文采用2015～2021年八里江水文站實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，繪制實(shí)測(cè)大斷面圖（圖3），并計(jì)算斷面面積隨時(shí)間變化的百分比，計(jì)算公式見(jiàn)式（5）。由圖3可見(jiàn)，2018年起點(diǎn)距1 000 m附近，沖淤變化較大，大斷面面積變化百分比為3.21%；受2020年洪水影響，2021年大斷面起點(diǎn)距750 m附近沖淤變化較大，大斷面面積變化百分比為-5.40%，對(duì)在線流量測(cè)驗(yàn)影響較大。起點(diǎn)距750 m和1 000 m的兩條代表垂線受沖淤影響嚴(yán)重，不適宜作為儀器安裝位置。其余年份大斷面面積變化百分比均在±3.70%以內(nèi)，沖淤變化不大，水位面積關(guān)系基本穩(wěn)定，基本不會(huì)對(duì)在線流量測(cè)驗(yàn)產(chǎn)生較大影響。

δ=A2-A1A1×100%（5）

式中：δ為大斷面面積變化率；A2為本年度大斷面面積，m2；A1為上年度大斷面面積，m2。

3.2 測(cè)流斷面垂線平均流速分布

本文選取有代表性的2020年7月大流速和2021年1月小流速垂線流速數(shù)據(jù)，繪制垂線平均流速沿河寬分布圖，見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，垂線平均流速沿河寬變化較為均勻，無(wú)突變現(xiàn)象，以100 m的垂線間隔摘取代表垂線平均流速數(shù)據(jù)可以滿足分析要求。結(jié)合大斷面圖分析，起點(diǎn)距200～600 m為淺灘，起點(diǎn)距1 600～1 800 m為陡坡，且垂線平均流速變化幅度較大，垂線代表性較差，不適宜作為儀器安裝位置。

3.3 測(cè)流河段航道概況

八里江水文站位于長(zhǎng)江下游航道，航道技術(shù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。圖5為測(cè)站附近航道示意圖。湖口3號(hào)白浮與湖口3號(hào)紅浮之間深綠色范圍即為河段航道區(qū)域，黑實(shí)線代表測(cè)流斷面位置。經(jīng)實(shí)測(cè)，測(cè)流斷面上起點(diǎn)距819 m和1 525 m為航道邊界位置。V-ADCP安裝位置需盡可能避開(kāi)航道，以減少儀器被船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)，起點(diǎn)距819～1 525 m部分不適宜作為儀器安裝位置。

3.4 代表垂線流速計(jì)算

八里江水文站流量資料在2021年之前未要求整編，且2009年之前采用流速儀法測(cè)流，流量數(shù)據(jù)不能覆蓋全斷面，無(wú)法滿足本次計(jì)算分析的需求，而2009年之后采用走航式ADCP測(cè)流，數(shù)據(jù)完整可靠，因此本次研究采用八里江水文站2009～2021年實(shí)測(cè)流量成果資料，剔除個(gè)別無(wú)法驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，最終得到84組樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)八里江水文站水位級(jí)劃分，統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)分布情況，詳見(jiàn)表1。由表1可知，樣本數(shù)據(jù)主要集中在中高水期，低枯水?dāng)?shù)據(jù)量偏少，中高水期部分的數(shù)據(jù)可以滿足分析需要。

單一代表垂線法具有成本低、測(cè)驗(yàn)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，研究?jī)?yōu)先考慮單一代表垂線法。本次研究摘錄了八里江水文站2009～2021年（84個(gè)測(cè)次）的垂線平均流速和實(shí)測(cè)斷面平均流速數(shù)據(jù)，其中起點(diǎn)距200～400 m以及1 800 m的數(shù)據(jù)不能完整覆蓋整個(gè)水位級(jí)，予以剔除。起點(diǎn)距500～600 m以及1 600～1 700 m的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R分別為0.872～0.892和0.723～0.477，代表性較差，與上述分析一致，予以剔除。將剩余代表垂線數(shù)據(jù)分別計(jì)算出具有統(tǒng)計(jì)代表性相關(guān)系數(shù)R，分析垂線平均流速和實(shí)測(cè)斷面平均流速的代表性情況（表2）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，9條代表垂線中相關(guān)系數(shù)R最大值為起點(diǎn)距1 000 m的測(cè)速垂線，該垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，垂線數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布在關(guān)系線的兩側(cè)，無(wú)突出點(diǎn)，擬合關(guān)系線可靠。但其垂線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)系數(shù)R為0.941，代表性一般。因此，單一代表垂線無(wú)法滿足八里江水文站推求斷面平均流速的需求。

因單一代表垂線平均流速與斷面平均流速無(wú)法建立可靠的相關(guān)關(guān)系，探討利用兩條代表垂線平均流速與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，起點(diǎn)距為1 100～1 300 m的測(cè)速垂線相關(guān)系數(shù)為0.862～0.882，代表性較差，且位于主航道正中間，予以剔除。將剩余的測(cè)速垂線結(jié)合大斷面圖和航道圖分析，筆者認(rèn)為從航道中心左側(cè)和右側(cè)各挑選一條測(cè)速垂線，更具有代表性，最終形成8種組合垂線，分別計(jì)算其復(fù)相關(guān)系數(shù)R，對(duì)組合垂線平均流速與實(shí)測(cè)斷面平均流速進(jìn)行代表性分析。經(jīng)計(jì)算，兩條垂線平均流速與斷面平均流速?gòu)?fù)相關(guān)系數(shù)a為0.957～0.972。綜合大斷面沖淤變化和航運(yùn)安全等因素，最終選擇起點(diǎn)距850 m和起點(diǎn)距1 500 m的兩條垂線，其復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.971，對(duì)這兩條代表垂線平均流速與斷面平均流速進(jìn)行回歸分析，采用最小二乘法計(jì)算回歸系數(shù)，建立經(jīng)驗(yàn)回歸方程

Vc=0.406 863V1+0.322607V2+0.226 367（6）

式中：V1為起點(diǎn)距850 m的垂線平均流速，m/s；V2為起點(diǎn)距1 500 m的垂線平均流速，m/s；Vc為在線斷面平均流速，m/s。

對(duì)方程擬合效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。假設(shè)H0：β1=β2=0，構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F，F(xiàn)～Fα2，81，由α=0.05，查F分布表得Fα=3.98。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=676>3.98，PF>676=2.866e-51<α=0.05，拒絕H0，表明經(jīng)驗(yàn)回歸方程有效。

對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。假設(shè)H0：βi=0，構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量ti，ti～tα/281，由α=0.05，查t分布的臨界值tα/2=2.145，經(jīng)計(jì)算，t1=13.96，t2=8.419，t3=6.756，t1，t2，t3均大于tα/2（2.145），拒絕H0，回歸系數(shù)對(duì)方程的影響是顯著的。

綜上，確定經(jīng)驗(yàn)回歸方程（6）為在線斷面平均流速計(jì)算公式。

4 誤差分析

為檢驗(yàn)研究成果是否滿足精度要求，本文選取八里江水文站2009～2021年84個(gè)測(cè)次進(jìn)行誤差分析，由公式（4）和經(jīng)驗(yàn)回歸方程（6），可以推算出在線斷面流量，結(jié)合實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)誤差分析，在線斷面流量與實(shí)測(cè)斷面流量系統(tǒng)誤差為0.30%，隨機(jī)不確定度為9.20%，根據(jù)SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》，代表流速關(guān)系線的精度滿足一類流量站精度要求。該研究成果適用于八里江水文站流量在線監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論與展望

本文以八里江水文站為例，研究了基于代表性垂線流速的在線流量測(cè)驗(yàn)方法，結(jié)論與展望如下：

（1） 現(xiàn)有的在線流量測(cè)驗(yàn)方法均有其局限性，應(yīng)結(jié)合測(cè)站任務(wù)及河道自然屬性選擇適合的測(cè)驗(yàn)方式?；诖硇源咕€流速的流量在線監(jiān)測(cè)，應(yīng)充分考慮測(cè)站控制條件，盡量選擇河床穩(wěn)定、沖淤變化不大的斷面。斷面上沖淤變化較大，淺灘或陡坡、水流變化幅度較大，鄰近航道中心的位置不適宜建站。以八里江水文站為例，該站屬于原址改建，測(cè)站控制條件較好，選擇起點(diǎn)距為 850 m和1 500 m 的兩條測(cè)速垂線代表性較好，可以作為V-ADCP自動(dòng)測(cè)流設(shè)備安裝位置，能夠滿足在線流量測(cè)驗(yàn)精度要求。

（2） 八里江水文站大斷面基本穩(wěn)定，但仍存在局部沖淤現(xiàn)象，建議通過(guò)增加斷面監(jiān)測(cè)次數(shù)，計(jì)算出準(zhǔn)確的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，提高流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的精度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)河床及測(cè)驗(yàn)斷面有明顯變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)代表流速關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)和校測(cè)。

（3） 由于八里江水文站2009～2021年流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本僅84個(gè)，低水期樣本數(shù)量為8個(gè)，枯水期樣本數(shù)量?jī)H為1個(gè)，低枯水樣本數(shù)據(jù)量偏少，不滿足代表流速關(guān)系建立的要求。建議后續(xù)流量測(cè)驗(yàn)中注意收集小流速的樣本數(shù)據(jù)，定期檢查在線平均流速與代表垂線平均流速的關(guān)系，驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)回歸方程的可靠性。

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（編輯：江 文）

Research on online discharge measurement method based on representative vertical velocity

ZHOU Shaoyang，XIE Yalei，JIANG Jianping

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Nanjing 210011，China）Abstract：

In order to improve the accuracy of online flow test，84 flow test results were collected from 2009 to 2021 at Balijiang Hydrological Station located at the main stream of the lower reaches of Yangtze River.Based on the analysis of the characteristics of the station，the relationship between the average velocity of the flow test section and the representative vertical velocity were studied.The results showed that deterministic coefficient between the average velocity of vertical lines with a starting distance of 850 m and 1 500 m and the average velocity of cross section were above 0.97，and the flow uncertainty was 9.20%，which met the accuracy requirements of flow test of Class A station.The two vertical lines with a starting distance of 850 m and 1 500 m were suitable for installation of V-ADCP automatic flow measurement equipment.The on-line flow measurement method based on representative vertical velocity can realize real-time flow velocity acquisition，improve the accuracy of flow measurement and reduce its cost.

Key words：

discharge measurement； vertical velocity； ADCP； Balijiang Hydrological Station； lower reaches of Yangtze River

收稿日期：

2022-05-30

作者簡(jiǎn)介：

周紹陽(yáng)，男，工程師，主要從事水文技術(shù)管理工作。E-mail：1132146127@qq.com