单波束声学多普勒流速仪垂向在线测流应用研究

2019-01-04谢运山赵德友张泉荣姚允龙范亚中

水利信息化 2018年6期

谢运山，赵德友，张泉荣，姚允龙，范亚中

（1. 江苏省水文水资源勘测局镇江分局，江苏镇江 212028；2. 江苏省水文水资源勘测局，江苏南京 210029；3. 南京亚楠鸿业科技实业有限公司，江苏南京 210029）

0 引言

江苏省水文水资源勘测局于 2014 年 5 月部署了“1021 工程”，实施江苏省水文测报方式改革，主要任务是在已经实现雨量、水位自动测报的基础上，逐步实现流量测报自动化。镇江水文分局为了落实省局的实施方案，于 2016 年 8 月在谏壁闸水文站安装了声学多普勒流速仪（ADCP）定点式垂向自动测流系统（以下简称自动测流系统），开始应用单波束垂向式声学多普勒流速仪进行流量自动测报的应用研究。

在流量测验中目前应用较多的仪器包括转子式流速仪、走航式 ADCP、定点式声学多普勒流速仪（横向式简称 H-ADCP，垂向式简称 V-ADCP）[1]等。其中 H-ADCP 和 V-ADCP 可以实现流量在线监测，但是目前成功案例很少。V-ADCP 主要采用单波速形式，测验 1 个波速方向的流速。应用 V-ADCP进行垂向测流，由于安装、维护不太方便，目前应用相对较少，但由于采用代表垂线测流，与转子式流速仪的代表垂线测流原理一致，因此采用 V-ADCP 垂线测流可以参考转子式流速仪测流的方法，重点需要解决 V-ADCP 的安装、垂线平均流速的计算等问题。以往 V-ADCP 在实际应用中采用的安装偏角过大，在测流断面中监测的有效流速幅度偏小，垂线平均流速的计算误差偏大；由于水位的不断变化，水面部分流速的影响因素较多，采用所有监测的单元流速用算术平均法计算垂线平均流速不正确，造成率定的流速单断关系不好，无法投入使用。为此，在谏壁闸水文站应用 V-ADCP 进行垂向流量测验，研究探索相关技术方法。

1 自动测流系统建设情况

1.1 测站系统结构

测站负责实时采集、存储、上传测流断面的流量和水位数据，主要由 V-ADCP、水位计、工控机、通讯传输模块、电源、防雷接地、数据管理软件等组成，具体组成如图 1 所示。

1.2 V-ADCP 相关参数及数据处理方法

1.2.1 设备参数

图 1 测站系统组成图

投入安装运行的单波速 V-ADCP，最大测量距离为 21.5 m，最大流速为 ±3.75 m/s，最小单元尺寸为 0.25 m，最大单元数为 86 个，可以实现在线监测河流流速。谏壁闸水文站最大实测断面引水、排水平均流速分别为 2.18 和 -1.72 m/s，最大水深为 9.34 m。V-ADCP 最大流速、测量范围和单元数等技术指标完全满足谏壁闸水文站流量测验需求。

V-ADCP 将测速垂线分成若干个单元（不同设备单元长度不一，同一设备也可以设置不同的单元长度），每 15 s 采集 1 次单元流速数据。

1.2.2 数据处理方法

1）单元流速滤波处理。V-ADCP 测流速度较快，1 次测流时间很短，由于受水流脉动影响，单次采集的流速数据脉动误差较大，因此需要采用滤波方法对采集的单元流速进行滤波滑动处理。

2）垂线平均流速计算方法。根据 GB 50179—2015《河流流量测验规范》，流速仪采用 1，2，3，5，11 点测速时可以采用相应的计算方法计算垂线平均流速[2]。

V-ADCP 采用多个单元测速，实测点流速较多。由于 V-ADCP 测流需要一定水深，因此在河底、盲区、第 1 个单元长度等区域无法进行流速测验；在水面由于 V-ADCP 需要一定的偏角才能正常测速，水面流速也无法正确测验。所以规范规定的5 点或者 11 点的垂线平均流速计算方法难以应用。为充分利用 V-ADCP 的多个实测点流速计算垂线平均流速，基于 GB 50179—2015《河流流量测验规范》垂线平均流速的基本原理，研究采用相对水深某个区间的单元流速计算垂线平均流速，根据相应单元流速 vi，通过算术或加权平均法计算每个代表线的平均流速（相当于垂线平均流速）。

算术平均法计算方法如下：

加权平均法以水深为权重，计算方法如下：

式中：vi，vi-1分别为代表垂线上的单元流速；Hi，Hi-1分别为代表垂线上的单元流速 vi和 vi-1对应的水深；Hn，Hk分别为采用代表垂线上的区间开始和结束的单元流速对应的水深；k，n 分别是区间开始和结束的单元数（vn为第 n 个单元流速）。

根据 GB 50179—2015《河流流量测验规范》，应用相对水深 0.2，0.6，0.8 m 等 3 个测点流速，采用二点法、三点法计算垂线平均流速的方法，可以得知相对水深 0.2～0.8 m 之间流速作为垂线平均流速的代表性较好，因此采用该区间多个实测单元流速计算垂线平均流速的精准度比一点法、二点法、三点法高。

3）流量计算。由于 V-ADCP 采用代表垂线测流，得到的流速不是实测的断面平均流速 v。因此需要建立代表垂线流速与断面平均流速的关系，据此计算断面平均流速，再根据以下公式计算断面流量：

式中：Qu为率定后的断面流量；A 为测时平均水位对应的断面面积；a 为率定出的系数；k1，k2为 2 根代表垂线对应的权重系数。

通过多次流速对比监测，率定出单位流速 vu（由 1 条或多条剖面平均流速按照算术或加权平均法计算出）与断面平均流速的换算关系 a（vu，），再与测时水位下的断面面积计算得到流量，实现在线自动监测流量。

1.3 设备安装

V-ADCP 适用于测流断面代表垂线法测流。谏壁闸水文站根据转子式流速仪历年流量测验资料进行代表垂线精简分析，确定采用起点距为38.0，66.0 m 的 2 条测速垂线作为代表垂线测流。V-ADCP 采用仰视式测流，在 2 条代表垂线处的河底安装 V-ADCP。安装基础在代表垂线位置打桩到河床以下 1.2 m，安装自动浮起装置。

安装完成后，V-ADCP 距离河床 0.32 m，设定的盲区距离河床 0.07 m，因此第 1 个测速点的位置在距离河床 0.64 m 的位置，依据声学多普勒原理，V-ADCP 不能垂直安装，但是安装偏角的大小会影响测量的有效流速范围，若偏角过大，采集的相对水深范围就较小，将会影响垂线平均流速计算的精确度。因此，根据测流断面的水深条件，V-ADCP采用 30° 偏角安装。设备安装示意图如图 2 所示。

图 2 设备安装示意图（沿河流方向）

1.4 流量测验软件与参数设置

采用的 V-ADCP 测流数据管理软件分为自动监测站、中心站和率定分析三部分软件，软件设置均采用自动同步方式，测站或中心站软件设置参数完全一致。参数主要分为以下 3 个部分：

1）测站基础信息，包括测站、大断面、水文特征等信息；

2）仪器及安装信息，包括 ADCP、水位计等仪器技术参数及安装信息；

3）数据处理信息，包括流速、水位滤波参数信息及代表流速计算参数，代表流速与断面平均流速关系参数。

在进行具体参数配置时，应对测站的基本信息、大断面数据、仪器设备及数据处理方法等参数进行正确设置，使软件能够选用相应的数据处理方法处理数据。

2 资料收集及分析选用

2.1 资料收集

根据 GB 50179—2015《河流流量测验规范》及SL 337—2006《声学多普勒流量测验规范》，通过采用转子式流速仪常测法施测断面平均流速对谏壁闸水文站的 V-ADCP 测验数据进行流速比测分析。

如果学校不结合产业，“闭门造车”培养出来的人才肯定不适应生产一线，行业企业不参与人才培养模式的制定、课程的设置等，也将制约职业教育的发展。因此，鼓励行业企业深度参与职业院校的教学内容的设置势在必行。如从职业院校的校级到系部级别，都要设立专业建设指导委员会，主要由行业企业的现场专家组成。人才培养方案的制定要通过专业建设指导委员会的审定。

根据镇江水文分局在比测期间全部实测断面流速成果（各测次常测法测流时间、断面平均流速），按照相应测次、测时提取代表线单元流速，计算测时内各分钟的垂线平均流速，然后计算出相应测次的单位流速。

2.2 资料分析选用

1）根据实测点据在不同流速级的重叠情况，对测次作相应筛减。

2）在率定前，对全部比测资料进行合理性检查，选取河道水流较为稳定期间的比测资料作为样本。

3）根据断面垂线流速横向分布规律，如果在一次涨落潮过程中测次垂线流速分布出现异常，说明测验存在误差或其他干扰，应予以剔除。

4）对自动测流系统还处在调试阶段的比测资料，不宜采用。

5）率定的样本数应＞ 30 个，并尽可能涵盖断面平均流速的变化范围。

6）考虑到谏壁闸站存在引、排水 2 种状态，流量、流速的影响因素（闸内外水位差、闸口过水断面大小等）相同，且以往在进行流速仪法单断速关系率定时，引、排水为综合定线，因此本次单断速关系率定采取引、排水综合率定分析。

谏壁闸水文站对比测资料进行筛选后，确定参与本次单断速关系率定的样本数为 248 个，其中引水 226 个，排水 22 个。

3 率定分析

3.1 单断速关系率定

3.1.1 单位流速计算

式中：vui为每分钟的单位流速；vmi，38.0，vmi，66.0分别为起点距 38.0 和 66.0 m 代表垂线每分钟的垂线平均流速。

某测次常测法历时对应的单位流速 vu计算如下：

式中：t1和 t2分别为某测次常测法起始、结束时间；t 为某测次常测法测速历时。

需要说明的是，公式（4）中的垂线平均流速是将 2 根代表垂线按算术平均法计算得到的，在不同的测站中需要根据流速分布情况确定垂线平均流速的计算方法，如采用权重系数法，此时的计算公式应为如下形式：

3.1.2 单断速关系率定

通过点绘 V-ADCP 单位流速 vu与转子式流速仪法实测断面平均流速关系线图，可以定出两者的换算系数 a，公式如下：

3.1.3 率定结果分析

以转子式流速仪常测法实测断面平均流速为依据，筛选出的谏壁闸水文站不同断面平均流速级下可进行垂向式 V-ADCP 单断速相关关系率定的样本数，符合 SL 337—2006《声学多普勒流量测验规范》的规定[3]，因此根据谏壁闸水文站以往定线经验，对筛选出的谏壁闸水文站引、排水期流速比测数据共 248 测次合并综合定线，得到如图 3 所示的线性关系图，同时生成率定成果表[4]。

根据线性关系得到的谏壁闸站 V-ADCP 垂向测流单断速关系如下：

3.2 单断速关系线合理性分析、定线精度评定

3.2.1 评定标准

对率定好的单断速关系，根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》[5]第 3.3 条规定，进行随机不确定度、系统误差计算，评定定线精度；根据第3.4 条规定进行符号、适线和偏离等检验的计算，评定定线合理性。

谏壁闸水文站为国家重要水文站，属一类精度水文站，采用 V-ADCP 代表线法测流方式，根据 SL 337—2006《声学多普勒流量测验规范》第 5.2.2 款规定，流量定线精度应满足 SL 247—2012《水文资料整编规范》第 3.3.2 款的规定，即，谏壁闸水文站V-ADCP 单断速关系定线精度指标为：随机不确定度允许绝对值 ≤ 10%（单一曲线法），系统误差允许绝对值 ≤ 1%。

3.2.2 精度评定

经计算，谏壁闸水文站 V-ADCP 单断速关系线系统误差为 0.40%（＜ 1%），随机不确定度为 9.4%（＜ 10%），满足相关规范一类精度水文站（基本站、ADCP）流量定线精度规定。

3.2.3 合理性评定

经计算，谏壁闸水文站 V-ADCP 单断速关系线符号、适线和偏离等检验全部通过，评定检验表如表 1 所示。

3.3 生产应用范围确定

经统计，本次率定期内转子式流速仪法实测断面平均流速范围如下：引水为 0.06 ～ 0.77 m/s，排水为 - 0.31 ～ - 0.82 m/s；V-ADCP 法实测单位流速范围如下：引水为 0.07 ～ 0.94 m/s，排水为 - 0.36～- 0.98 m/s。

根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》第4.4.17 款规定，谏壁闸水文站 V-ADCP 单断速关系线高水可上延 30%，低水可下延 15% 应用，因此谏壁闸水文站本次单断速关系可生产应用的范围如下：依据实测断面平均流速（转子式流速仪），引水为 0.00～0.98 m/s，排水为 - 0.23～- 0.97 m/s；依据实测单位流速（V-ADCP），引水为 0.00～1.20 m/s，排水为 - 0.27 ～ - 1.17 m/s。

4 结语

通过对谏壁闸水文站 248 测次转子式流速仪及V-ADCP 流速测验数据进行率定，得到单断速关系系数为 0.827。本次采用转子式流速仪法对谏壁闸水文站 V-ADCP 进行流量（流速）比测及资料符合规范要求，单断速关系率定成果合理，定线精度符合规范要求。因此本次率定的谏壁闸水文站 V-ADCP单断速关系可应用于该站流量监测生产中。