上海泖甸水文站水平式ADCP流量测验研究

2018-03-14

水利水电快报 2018年1期

(上海市青浦区水文勘测队，上海 201799)

1 问题的提出

河流流量测验的基本原理是通过测验断面平均流速和断面面积，二者相乘得到测验时刻的断面瞬时流量。传统的测验方法一般是在测流断面上布设多条垂线，测量每条垂线处水深并用流速仪测量一至几个点的流速从而得到垂线平均流速，进而得到断面面积和断面平均流速。传统的流量测验首先需要施测全断面，再布置测深测速垂线，然后在全断面各测深测速垂线上施测各测点流速，最后计算出断面流量。传统方法需要人工记数与计算，测流准备工作繁琐，耗费人力资源量大，测流速度慢，效率低。

随着最严格水资源管理制度的实施，为适应水利发展需要，水文工作中对流量测验的精度、效率和自动化、信息化要求也越来越高，传统测流手段难以满足生产实际要求。随着科技的发展进步，新的测验方式、测验手段以及测验仪器逐步应用于水文测验中，并取得了良好的效果。ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)即声学多普勒流速剖面仪在流量测验中得到日益广泛的应用[1-6]，大大提高了流速测量的空间和时间分辨率，测量剖面深度范围大，对高含沙量河流适用性较好，操作方便省力，能有效消除各种外界因素的影响。

采用ADCP开展自动流量测验，一般有水平式和垂直式两种安装方式。水平式ADCP通常安装在河流一侧水下合适的位置，通过测量代表水深的平均流速，再通过河道断面面积计算出流量[7-8]；垂直式ADCP理论上应安装在河流中泓位置，通过代表垂线流速与断面平均流速的关系间接计算出断面流量。不论是水平式还是垂直式，都需要开展流量率定。不过，垂直式ADCP需要放置在河流中泓，不易架设，同时受航运等因素的影响，安装难度较大，而通常以水平式ADCP为最主要的自动监测方式[9-12]。

本文利用上海市青浦区泖甸水文站比测成果，通过建立水平方向代表流速与全断面平均流速间的相关关系，分析水平式ADCP流量自动监测成果的准确性和可靠性。

2 测站及比测概况

2.1 测站

泖甸水文站是黄浦江上游拦路港河流的一个控制性水文站，负责上游淀山湖下泄的水量、水质监测。泖甸水文站在东泖河和西泖河分叉口上游500 m处拦路港的河南岸(图1)，所在监测断面宽约140 m，河底高程约-5.6 m，底宽约70 m。拦路港是黄浦江上游的一条弱感潮河流，1d之内水位会随着黄浦江下游潮涨潮落而出现一定幅度的变化，潮差约0.5 m，泖甸水文站所在的过水断面面积也因潮汐涨落而发生一定变化。受潮汐的影响，拦路港水流呈现往复流特征，在大潮期间尤为明显。

泖甸水文站于2014年11月份安装了一台TRDI公司600kHz的CM600水平式ADCP。该仪器运行至今，稳定可靠，无异常数据的情况。

图1 泖甸水文站位置示意

2.2 比测

为实现泖甸水文站ADCP流量测验的业务化、自动化，需要开展该站水平式ADCP的比测试验工作，通过寻求水平方向代表流速与全断面平均流速间的相关关系，建立该站自动流量测验的计算公式，实现自动流量测验的目标。

分大、中、小潮3个时期分别开展现场比测。其中，小潮期为2016年8月13～14日(农历七月十一至十二)，中潮期为2016年8月7～8日(农历七月初五至初六)，大潮期为2016年8月20～21日(农历七月十八至十九)。比测期间采用宽带及相控阵ADCP进行全断面走航流量测验，走航式ADCP型号为TRDI公司的瑞智1 200 kHz。采用三体船安装，借助测船拖曳ADCP实施测验。

比测开始前，各相关设备借助GPS进行标准授时校准，相互间偏差小于5 s，与水位观测仪器时钟的偏差小于10 s；走航测船、ADCP三体船及缆道等无磁性，当环境有磁干扰影响ADCP内置磁罗经准确度时，采用校准后的外接GPS罗经代替ADCP磁罗经；走航式ADCP采用连续走航、连贯观测的方式，一般情况下走航测船船速与流速基本保持一致。当断面流速较小、变率较大时，船速可适当大于流速，但应维持均匀稳定。尽量缩短一次全断面走航测次的总历时，以保证测次施测历时内水位涨落变化不大于平均水深的5%，连续2个测次的潮流量变率不超过5%，从而减少非稳定流对测次代表性的影响。比测时ADCP加载GPS信标，记录走航测次的实际航迹线，计算并设置测验断面当时当地的磁偏角，GPS输出数据时设置相应的数据质量输出阀值，依据GPS计算走航测次的起始及结束岸边距。

在运用走航式ADCP进行全断面流量测验的同时，水平式ADCP实时在线监测，获取同步系列数据。比测时水平式ADCP借助GPS进行标准授时校准，相互间偏差小于5 s，与水位观测仪器时钟偏差小于10 s；比测时避免全断面流量施测与代表流速施测相互干扰，如果二者的声波相互侵占，则适当错开两断面；水平式ADCP以其观测历时的开始时刻作为测次时刻，将走航测次历时对应的水平式ADCP实测流速，借助3次样条方法插值后取平均代表流速与走航测次相对应；水平式ADCP的采样时间间隔300 s，采样平均时段90 s。

3 相关关系及显著性检验

ADCP流量测验仍然存在误差控制和可靠性检验的问题[13]。为了简化分析，笔者假定通过一定的技术手段和误差控制方法，使走航式ADCP测得的断面平均流速是准确可靠的[14-16]。在此前提下，才能建立水平方向代表流速与全断面平均流速之间的相关关系，否则由于误差的传递，这种相关关系就没有太大意义。因此，在建立相关关系时，首先要摘录获取全部走航测次对应的代表流速与断面平均流速定线数据组；其次，通过常用的关系曲线分别进行回归分析，通过各关系曲线的相关系数大小初步确定二者可能存在的相关关系；之后以随机不确定度评估定线关系精度；最后对关系曲线进行符号检验、适线检验及偏离数值检验并进行比选，从而选出最优的回归关系。

在判定相关关系即定线关系的精度时，要求随机不确定度χe越小越好，且不得大于15%。在检验实测点偏离回归曲线的偏离程度时，要求符号统计量μ的绝对值不超过 1.15，否则认为实测点太散，偏离回归曲线明显。适线检验方面，要求适线检验统计量绝对值小于1.28，否则认为适线性较差。偏离数值检验方面，要求偏离统计量t的绝对值小于1.96，否则认为测点偏离回归关系曲线太远，回归关系难以接受。

3.1 断面平均流速与水平方向代表流速相关关系

为分析拦路港潮汐强度的变化对泖甸水文站断面平均流速和水平方向代表流速相关性可能造成的影响，笔者按照小、中、大潮3种情况分别分析二者的相关关系及显著性。可以看出，用走航式ADCP测得的断面平均流速与用水平式ADCP测得的水平方向代表流速，呈现出以下几个特点：①变化过程非常一致，具有高度的拟合性；②显著的线性相关性，且受小、中、大潮等潮汐强度的影响很小；③涨急期水平方向代表流速要小于断面平均流速，这种差距在小潮期不太明显，最大差值仅 0.089 m/s，但在中潮和大潮期较明显，最大可达 0.164 m/s。

通过对断面平均流速与水平方向代表流速进行线性回归统计分析可以看出，不论是小潮、中潮还是大潮，二者都具有非常良好的线性相关关系，相关系数R几乎接近于1，且受潮汐强度的影响很小。

3.2 显著性检验

3.2.1 检验方法

检验回归关系的显著性通常有4种方法：随机不确定度检验、符号检验、适线检验和偏离数值检验。

(1) 随机不确定度检验。通过计算关系点对关系线的标准差评估定线关系的精度，要求随机不确定度不大于15%。计算公式如下：

(1)

式中，Se为实测系列标准差；χe为随机不确定度；n为测点总数；Vi为第i次实测断面平均流速，m/s；Vci为第i次回归断面平均流速，m/s。

(2) 符号检验。为了检验测点偏离回归曲线的明显程度，通过统计测点偏离曲线的正、负号个数，对零值作正、负号各取半，计算统计量。计算公式如下：

(2)

式中，μ为统计量，k为正号个数。

符号检验要求显著性水平α=0.25，临界值μ1-α/2=1.15。如若统计量|μ|<μ1-α/2，检验通过，接收原假设，否则拒绝检验。

(3)适线检验。对关系线进行适线检验，将测点值由低到高排列，从第二点起统计其对前一个点的正负号变换次数，计算统计量：

(3)

当k<0.5(n-1)时，作该检验，否则不作检验。在此前提下，规定显著性水平α=0.10，临界值μ1-α=1.28。若统计量|μ|<μ1-α，接收检验，否则拒绝检验。

(4)偏离数值检验。计算测点与关系线的平均相对偏离值标准差。计算公式如下：

(4)

偏离数值检验要求显著性水平α=0.05，临界值t1-α/2=1.96(自由度k=n-1>60)。若统计量|t|

3.2.2 检验结果

从对泖甸水文站小、中、大潮3个测验时段的实测数据进行的回归分析显著性检验来看，3个时段的随机不确定度、符号检验、适线检验和偏离数值检验结果均在可接受范围之内。这说明，用该站水平式ADCP测得的水平方向代表流速和走航式ADCP测得的断面平均流速，二者具有显著的线性回归关系，测验误差在可接受的范围之内。

因此，利用水平式ADCP测验水平方向代表流速，并通过这种线性回归关系可间接得到该站测验断面的平均流速，并利用水位断面面积关系，可得到该站的断面流量，从而实现泖甸水文站流量的自动化、常态化连续观测。

3.3 定线关系

上述测验结果表明，泖甸水文站水平式ADCP流速与断面平均流速具有非常良好的线性相关关系。通过这种相关关系，可以利用水平式ADCP测验得到的水平方向代表流速，来获得断面平均流速和流量。

拦路港作为感潮河流，断面平均流速与水平方向代表流速的相关关系式，即定线关系，一般有两种形式，一种是按照涨潮、落潮和涨落潮全潮等不同的潮流期来定线，另一种是按照小、中、大潮等不同的潮汐强度来定线。二者之间存在一定差别，具体如表2和表3所示。实际应用中可根据工作的便利选择使用。

表1 相关关系检验结果

表2 不同潮流期定线关系

表3 小、中、大潮期定线关系

注：Vi表示水平方向代表流速，Vm表示断面平均流速。

4 结语

随着声学多普勒流速测验技术的不断发展和完善，走航式ADCP一般能够得到较为准确的断面平均流速和断面流量。但走航式ADCP最大的缺陷在于每次测验过程都需要过多人工操作和干预，无法实现测验过程的自动化和连续性。水平式ADCP通常安装在河流一侧岸边，完全可实现在线监测，在自动化和连续观测方面要明显优于走航式ADCP。但水平式ADCP监测的断面流速的代表性和准确性方面受测验断面条件(断面宽度、水流特性等)的影响较大，其适用范围受限。

通过统计分析水平式ADCP与走航式ADCP同步测验结果的相关性，发现二者存在明显的线性关系。通过这种关系可利用水平式ADCP测验成果间接得到测验断面的断面平均流速和断面流量，将水平式ADCP与走航式ADCP相结合，最终实现河流流量的自动、连续、常态化观测。

上海属于平原感潮河网地区，河流的水文情势容易受其他因素影响，水平式ADCP测得的水平方向代表流速与走航式ADCP测得的断面平均流速之间的相关关系并非固定不变。为了得到更可靠的流量测验成果，宜每隔1 a左右重新定线。

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