宜昌站H-ADCP流量关系率定及应用

2019-03-08，，，

水利水电快报 2019年2期

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(长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌 443000)

1 研究背景

宜昌站位于长江中游干流，自建站以来断面水位流量关系主要以绳套线性和单一线性为主。多年来，河段上游相继建成葛洲坝和三峡水利枢纽，枢纽调度对水沙调节影响较大，增加了把握外业观测时机的难度、测验成本和劳动强度。受三峡、葛洲坝水利枢纽工程(以下简称“两坝”)联合调度影响，宜昌站水位流量关系曲线局部变形或扭曲更加频繁，具体表现为：受水库蓄放水而产生的附加比降影响，水库放水时，水位上涨，流速增大，流量也增大；蓄水时，则完全相反。水位流量关系线表现为涨水点偏右，落水点偏左，峰、谷点居中。如果不间断连时序测验流量，水位流量关系表现为连续绳套，对流量测验时机的把握和数据代表性等要求更高。

目前，宜昌站采用连时序法定线，单一线与绳套曲线相结合，部分时间段在单一线上推流，其他时间段按照绳套曲线推流。宜昌站常规流量测验方式有2种：走航式ADCP和普通流速仪测流，以走航式ADCP测流为主。采用普通流速仪测流时测验时间一般为120 min；采用走航式ADCP施测时，时间一般为15～30 min。近年来，每年测流80～100次仍然难以较好控制水位流量关系。为了早日实现流量自动化测量，有必要对H-ADCP流量关系进行率定，充分发挥仪器效益。

2 测验资料情况

2016年宜昌站引进了CM300型H-ADCP进行试验分析。H-ADCP监测平台设置在流量断面左岸，仪器安置在高程39.20 m处。经过现场调整，仪器表面水平指向对岸，且与水流方向垂直[1-2]。H-ADCP可测量水平层面多单元流速，最多可达128个单元，水平测量范围最宽可达200 m。内置温度传感器纵、横摇角度倾斜计、超声波水位计、ADCP换能器等多种传感器，可同时自动监测流速、流量、水位、水温等水文要素[3-4]。目前，H-ADCP的工作方式是连续测量，每15 s储存一个原始数据。通过有线电缆连接到现场计算机，再通过微波对接转换成网络信号，传输到办公室计算机，是集采集、存储、传输功能的在线流量监测系统。

2017年2月15日开始正式收集资料。由于H-ADCP仪器安置在固定高程39.20 m处，当水位接近40.00 m左右时，H-ADCP距离水面距较短，探头发射信号存在一定角度，水平测量范围较小，在枯季经常出现数据异常。因此，仅分析3～10月资料，其他月份需要调整仪器高度后，重新收集资料分析。截至2018年6月，共收集了11个月数据。

根据2017年收集的3～10月数据资料，建立指标流速与断面平均流速线性回归模型，并结合水位和河底高程求得断面流量。对于2018年H-ADCP测得的指标流速，用根据2017年数据建立的线性关系推流，与常规测验方法推求流量比较，检验模型的合理性。

3 模型求解

H-ADCP是基于所测指标流速与常规测流法实测断面平均流速建立相关关系，通过指标流速推求断面平均流速，再用断面平均流速与断面面积求得断面流量：

Q=V断A

(1)

式中，V断为断面平均流速，m/s；A为断面面积，m2；Q为断面流量，m3/s。

其中，断面面积是水位的函数：

A=f(Z)

(2)

式中，Z为断面水位，m。

根据断面水位结合最新实测大断面数据，推算断面面积，见图1。比较宜昌站2014～2017年断面可发现，近几年断面略有冲淤变化，基本稳定，见图2。

图1 水位-面积关系

图2 2014～2017年断面冲淤变化

由图1推求水位与断面的关系式为

A=742.44Z-21 976

(3)

断面平均流速可表示为某一指标流速的函数

V断=f(Vi)

(4)

根据美国地质调查局(USGS)提出指标流速与断面平均流速关系，H-ADCP关系推荐方程通常为线性回归方程：

V断=B0+(B1+B2)Vi

(5)

式中：Vi为指标流速，m/s；B0、B1、B2均为回归系数。

宜昌站H-ADCP测量时的参数设置：沿水平方向，每一深度单元尺寸为3 m，深度单元个数为50个，空白距离为2 m，第一层深度单元中心距H-ADCP换能器3.5 m，即可测量的宽度范围为离仪器3.50～153.5 m，共150 m。

2017年3～10月H-ADCP收集资料期间，宜昌站开展常流量测验60次，其中流速仪测流5次，ADCP测流55次，测得最小流量为6 740 m3/s，最大流量为30 700 m3/s。

在测流对应时段内，取不同单元层组合(距仪器探头不同距离的水深组合)1-5、1-10、2-4等，例如1-5单元组合指的是3.50～15.5 m水平层范围内的指标流速。通过分析不同距离、长度的单元组合形式，与60次常规测验的断面平均流速分别建立如图3所示线性关系，从中选择关系最好的组合。不同单元组合方式建立的线性关系回归系数见表1。

图3 1-5单元组合指标流速与断面流速关系

不同组合方案指标流速-断面平均流速公式相关系数1-5单元V断=1.163 Vi +0.6450.8951-10单元V断=1.034 Vi +0.7040.8521-15单元V断=0.919 Vi +0.7580.8321-30单元V断=0.727 Vi +0.9460.7491-40单元V断=0.682 Vi+1.0110.6952-4单元V断=1.177 Vi +0.6050.9042-7单元V断=1.085 Vi +0.6680.8632-9单元V断=1.035 Vi +0.6940.8482-30单元V断=0.714 Vi +0.9530.7422-40单元V断=0.672 Vi +1.0170.6892-45单元V断=0.673 Vi +1.0370.665

表2 不同组合方式计算流量与连时序整编流量相对误差统计

拟合利用相关性较好的2-4、2-7、2-9、1-10、1-5单元组合的指标流速分别推算断面平均流速，再用水位计算出断面面积得到全年的流量数据。通过南方片2.0，采用连实测流量过程线法对这5种单元组合方式分别进行整编，得出的月平均流量数据与宜昌站常规测验计算的月平均流量数据进行比较，见表2。

从表1、2 可以发现，1-5单元组合相关性系数较高，整编计算的月平均流量相对误差较小。选择1-5单元组合指标流速与断面流速建立线性图(见图3)。对1-5组合指标流速与断面流速建立的关系进行检验，系统误差为-0.24%，由于存在单次相对误差过大的情况，其相对不确定度为15.2%。对图3的关系线分别进行符号检验、适线检验、偏离数值检验(见表3)，精度符合《水文资料整编规范》有关要求。