H-ADCP 在沿海川東港閘水文站的比測率定研究

宗長榮，劉永亮，薛 亮，王昌平，周曉強(qiáng)

（江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

川東港閘水文站為國家基本水文站，設(shè)有水位、流量、降水等測驗項目，主要功能為掌握川東港閘水情變化，控制其入海水量，為防汛防旱、水利規(guī)劃、水資源管理搜集、積累水文資料。該站傳統(tǒng)流量測驗是通過纜道搭載流速儀進(jìn)行，該方式耗時費(fèi)力，且流量數(shù)據(jù)無法實時在線傳輸。2021 年底管理單位改革該站流量測驗方式，安裝了橫向式聲學(xué)多普勒流速儀（H-ADCP），并進(jìn)行了比測率定，成果應(yīng)用得到了上級部門的批復(fù)。

1 測站水文特征

川東港閘水文站流量監(jiān)測斷面下游1100m 處為中型擋潮閘川東港閘，閘身共10 孔，每孔10m，總凈寬100m，其中北側(cè)邊孔為通航孔，其余為泄洪孔，閘底板面高程-2.55m（廢黃河口基面，下同）；泄洪孔采用直升式鋼閘門，設(shè)置胸墻、頂高7.6m。設(shè)計日平均最大過閘流量457m3/s，實測瞬時最大過閘流量為968m3/s，歷史最高水位為3.37m，最大流量為788m3/s，最低水位為-0.77m，最小流量為-95.0m3/s。

2 率定分析

2.1 測流斷面分析

川東港閘水文站纜道流速儀兼走航式ADCP 測流斷面位于閘上游1100m 處，H-ADCP 測流斷面位于閘上游1084m 處，兩測流斷面相距16m，斷面寬約201m，斷面最低高程約為-3.39m，兩岸為斜坡式護(hù)岸。纜道測流斷面與H-ADCP 斷面之間無外水匯入，測流斷面形狀基本一致，可視作同一斷面進(jìn)行分析使用。資料處理時，以流速儀和走航式ADCP測量值為基準(zhǔn)值進(jìn)行對比分析。

2.2 儀器安裝方式及位置

本站選用的H-ADCP 是美國RDI 公司生產(chǎn)的ChannelMaster600KHz 型產(chǎn)品，最大測量距離90m。H-ADCP 安裝位置對其測驗精度有較大影響，據(jù)經(jīng)驗，安裝在多年平均水深的60%位置處比較合適。依據(jù)實測斷面圖，安裝高程確定在-1.00m 處，測流相對水深范圍0.11～0.89m。除枯水期較低水位時（相對水深小于0.2m）會影響H-ADCP 測速代表性外，基本滿足流量測驗要求。H-ADCP 安裝位置見圖1，安裝高程分析表見表1。

圖1 川東港閘水文站測流斷面圖

表1 川東港閘（閘上游）站H-ADCP 安裝高程分析表（單位：m）

2.3 率定分析

2.3.1 比測安排

2021 年3 月11 日至8 月4 日期間，采用纜道流速儀法（常測法）及走航式ADCP 法測流共實測63 測次。其中，兩次因H-ADCP 出現(xiàn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，不符合率定要求，實際61 個有效測次參與率定分析。

2.3.2 H-ADCP 單元流速選用區(qū)間分析

川東港閘水文站H-ADCP 安裝在右岸斷面距離34.0m、高程-1.00m 處，川東港閘水文站橫向流速分布見圖2，其中H-ADCP 儀器設(shè)備從53 單元向后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常值，但對本次率定范圍不產(chǎn)生影響。從流速分布圖分析得出，H-ADCP 在起點(diǎn)距36.0～90.0m 之間的測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，經(jīng)過滑動挑選，采用第3～46 個實測單元流速區(qū)間進(jìn)行計算率定，得出的流速相關(guān)關(guān)系合理性最好、定線精度最高。單元流速選用分析見表2。

圖2 川東港閘站橫向流速分布圖

表2 單元流速選用分析表

2.3.3 比測率定分析

經(jīng)對61 個有效測次分析計算，并對資料成果進(jìn)行率定，得到川東港閘水文站代表流速VCP和斷面平均流速相關(guān)關(guān)系，見圖3所示。

圖3 川東港閘水文站-VCP 關(guān)系曲線圖

2.3.4 檢驗分析

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T247-2020）規(guī)定，對川東港閘水文站率定的流速公式進(jìn)行符號、適線、偏離檢驗，檢驗結(jié)果均符合三項檢驗允許值要求。經(jīng)計算，該站關(guān)系線系統(tǒng)誤差為0%，隨機(jī)不確定度18.7%，滿足感潮站三類站關(guān)于定線精度的要求，見表3 所示。

表3 Vi-Vp 關(guān)系線三項檢驗成果表

2.3.5 測驗誤差分析

2.3.5.1 比測資料誤差分析

流速儀測量通過布設(shè)的8 條測速垂線，在每條垂線水深的0.2m、0.8m 位置進(jìn)行測量，該測流方案滿足測站任務(wù)書的相關(guān)規(guī)定。另對走航式ADCP 流量比測的45 次數(shù)據(jù)誤差分析，計算出各次實測流量的一個測回的平均流量值的相對標(biāo)準(zhǔn)差Se和隨機(jī)不確定度，統(tǒng)計出比測流量值的平均相對標(biāo)準(zhǔn)差Se為0.9%，隨機(jī)不確定度為1.8%；相對標(biāo)準(zhǔn)差Se的范圍為0%～2.3%，隨機(jī)不確定度范圍為0%～4.6%。單次流量測驗誤差均滿足該三類精度站規(guī)定的精度要求。

2.3.5.2 流速脈動引起的流速測量誤差

由于H-ADCP 單次測流歷時短，受相鄰區(qū)間的脈動流影響，隨機(jī)不確定度增加，本站通過對H-ADCP 測量數(shù)值做濾波處理，以獲得高質(zhì)量的流速數(shù)據(jù)，減小不規(guī)則的脈動流對流速的影響。

通過選取H-ADCP 在2021 年7 月5 日13:53—14:08 的第40 單元實測流速和濾波處理數(shù)據(jù)為示例進(jìn)行分析，從計算結(jié)果來看濾波處理后的流速更趨穩(wěn)定，因此，利用H-ADCP 連續(xù)測量，采用臨近時段的流速進(jìn)行濾波處理對于提高比測率定精度，效果顯著。濾波前后精度評定分析計算見表4。

表4 濾波前后精度評定分析計算表

川東港閘水文站為三類精度的基本水文站，依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T247-2020）潮流（含感潮）站的流速相關(guān)定線精度要求，該站隨機(jī)不確定度為20%，系統(tǒng)誤差為±3%。根據(jù)該站H-ADCP流速率定分析成果，定線的隨機(jī)不確定度為18.7%，系統(tǒng)誤差為0%，符合規(guī)范要求的定線精度指標(biāo)，同時亦通過流速關(guān)系線的三項檢驗。

2.4 應(yīng)用范圍分析

2.4.1 代表性分析

川東港閘水文站2015 年遷站以來，實測斷面平均流速在0.22～1.37m/s，最大變幅1.15m/s，比測期間的斷面平均流速0.27～1.37m/s，流速變幅1.10m/s，變幅已達(dá)到該站遷站以來實測斷面平均流速變幅的95.6%；比測期間的最大流量為788m3/s，占川東港閘設(shè)計最大過閘流量的81.4%，比測資料具有較高代表性。

2.4.2 應(yīng)用范圍確定

經(jīng)統(tǒng)計，川東港閘水文站本次H-ADCP 代表流速與斷面平均流速關(guān)系率定范圍為：H-ADCP 代表流速0.26～1.30m/s。實測斷面平均流速0.27～1.37m/s。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》中第6.4.19 條規(guī)定，關(guān)系線可高水上延30%、低水下延15%應(yīng)用，因此川東港閘水文站本次H-ADCP 代表流速與斷面平均流速關(guān)系生產(chǎn)應(yīng)用的范圍為：H-ADCP 代表流速0.10～1.61m/s。實測斷面平均流速0.10～1.70m/s。

3 結(jié)語

通過對川東港閘水文站測驗數(shù)據(jù)的率定分析，該站H-ADCP 代表流速和斷面平均流速三項檢驗的參數(shù)指標(biāo)均符合《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）精度要求，且指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系成單一關(guān)系，具有較高的代表性。建議在批復(fù)應(yīng)用過程中，加強(qiáng)應(yīng)用范圍內(nèi)的流量校測和特殊極值水情條件下的比測率定工作，在修正流速關(guān)系線的同時，進(jìn)一步延長應(yīng)用范圍，以更高精度保障川東港閘水文站的流量測驗工作