水平声多普勒流速剖面仪应用浅析

2019-12-26蒲海汪洋吴亚玲王渺林吕平毓

三峡生态环境监测 2019年4期

蒲海汪洋，吴亚玲，王渺林，吕平毓

（长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆 400020）

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）根据声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低的多普勒频移原理测量水体流速[1]。ADCP 主要有两种类型，即走航式ADCP 和水平式ADCP（H-ADCP）[2]。与走航式ADCP 不同的是，H-ADCP 的声换能器位于同一平面。采用H-ADCP 进行实时在线监测，能施测断面某一水层流速（通常情况下，将某一水层的流速称为指标流速，以区别断面平均流速），建立所选指标流速与断面平均流速的相关关系。通过连续监测断面指标流速、水位，推算断面平均流速及过水断面面积，即可计算断面流量[3]。

1976 年，美国的Reiger和Pinkei两位海洋学家合作，研究出ADCP-4400 多普勒剖面测量仪。这是世界上第一台真正意义的商用多普勒剖面测量仪[2]。ADCP 的发展总的来说经历了四个阶段[4]：（1）20 世纪六七十年代探索研究阶段；（2）20 世纪70年代末至80年代初窄带ADCP发展阶段；（3）20 世纪80 年代中期至90 年代初宽带ADCP 发展阶段；（4）20 世纪90 年代中期至今，宽带束控技术发展及测流的多功能、多用途研究阶段[5]。近期国外对ADCP的研究主要针对数据处理的方法[6]、校准方法[7]、系统误差[8]、不确定性分析[9]等。

我国在ADCP 的研究方面已取得了很大进步，但国内对海洋和河流的测量大部分还是采用国外进口产品[2]。南瑞水电公司已经研制出H-ADCP，并进行了实验室测试，达到了预定效果[10]。近年来H-ADCP相继被应用于金沙江三堆子水文站[11]、阿海水文站[12]、清江的高坝洲水文站[13]并进行了比测，长江寸滩水文站应用走航式ADCP进行了比测[14]。针对H-ADCP 流量在线监测相关的软件也展开了设计和应用[15-16]，如长江水利委员会水文局在深入研究H-ADCP所带软件的基础上，研发了通用的H-ADCP在线测流系统[16]。为解决H-ADCP使用中的一些疑难问题，开展了H-ADCP 的测流误差讨论[17]。

近年来水利水电工程的兴建对水文测站的水文测验条件、河流水沙情势等造成了一定的影响，测站相关工作的开展面临了越来越大的挑战。如何应对这一挑战成了现代水文测验工作的首要任务，同时也是长江水文测量“一站一策”的迫切需求。

H-ADCP作为一种新型测流仪器，具有稳定可靠、快速高效、操作方便、可以在线实时监测、适合在水流条件变化复杂或受水利工程影响的水文站进行流量测验等优点，目前正在我国逐步推广应用，是当前水文测验方式方法发展的一个方向和重要手段。

目前对受水利工程影响的山区性河道H-ADCP测验误差控制及参数优化方法研究还比较少。本文以涪江干流控制站小河坝水文站为例，根据其受下游潼南航电枢纽工程影响的基本情况，探索H-ADCP的应用，讨论比测试验目的、内容和流量推算原理及方法，以及率定时特殊情况及资料处理方案。

1 基本概况

1.1 测站情况

小河坝水文站为嘉陵江支流涪江下游的出口控制站，位于东经105°50'，北纬30°11″，集水面积28 901 km2，是涪江下段基本控制站以及国家基本水文站。

小河坝水文站下游2.5 km 处建有潼南航电枢纽工程（图1）。潼南航电枢纽工程是涪江干流重庆市境内的第2 个梯级，正常蓄水位为236.50 m，相应库容1.571×1011m3。工程于2014 年11 月底开建，2018年10月全面建成投运。

图1 小河坝水文站及潼南航电枢纽位置Fig.1 Location of Xiaoheba hydrological station and Tongnan hydropower station hub

据分析，小河坝水文站2015 年开始受下游2.5 km处潼南航电枢纽工程顶托影响，水位流量关系较紊乱。针对该站断面左岸陡峭的地形，在水尺观测道路旁修建了护坡，并在护坡上加工了HADCP 滑车道（图2）。经过反复加工、试验，于2019年1月起正式开始收集H-ADCP测验数据，并进行了比测率定。

图2 H-ADCP滑车道Fig.2 H-ADCP track pulley

受潼南航电枢纽工程蓄水影响，小河坝站断面河道水流形态发生了较大变化。经过试验分析，采用缆道流速仪法与H-ADCP 比测较为困难。通过将高频（1 200 kHz）ADCP 安装在振荡拖曳体上，可以提高ADCP在沿海环境小时间尺度和空间尺度采样中的应用[14]，与走航式ADCP 原理相似。因此，采用了走航式ADCP与H-ADCP持续进行了代表流速比测，率定了该站受潼南航电枢纽工程顶托下走航式ADCP与H-ADCP代表流速的相应关系。

1.2 小河坝站H-ADCP概况

小河坝站H-ADCP 系统主要由ChannelMaster300 kHz H-ADCP、计算机、Q-Monitor-H 流量通数据采集及回放软件、电源等组成。

H-ADCP的连接方式是将仪器主机数据和电源通过有线的方式直接接到缆道操作房，平时采用仪器自动记录存储，定时提取数据，与走航式ADCP 测流比测或其他需要时采用计算机实时采集、监控。

经过比较分析，仪器安装在基本水尺断面（兼测流断面）的左岸（图3）。为了便于采集不同水位级的数据，安装了滑道。经过现场调整，仪器表面水平指向对岸，且与水流方向垂直。仪器倾斜传感器测量的纵、横摇角度确保在小河坝站监测断面代表流速范围内，纵、横摇角度与初始采集安装角度值变化在±0.5°以内，且通过对安装位置进行标记的方式以尽量确保放置位置固定。

图3 小河坝水文站大断面及H-ADCP安装位置图Fig.3 Cross section and H-ADCP installation location on Xiaoheba hydrological station

2 比测试验方法和流量推算原理

2.1 试验目的和意义

确定H-ADCP 在长江上游山区性河道测验时相关测验参数的设置，确定流量推算方案，主要是代表流速的率定，包括代表流速段的选取和相关关系式的建立[7]。

2.2 试验内容及方法

2.2.1 参数设置

单元尺寸为2 m，单元个数为70，覆盖了大断面相应安装高度的全水平层。盲区为2 m，盐度为0 ppt。

经过综合考虑，因受库区影响，河流的水流变化复杂，为减小流速脉动影响，本研究比测期间的采样间隔设置为5 min、每次采样的平均时段设置为2 min。后期正式投产过程可根据水文资料整编需要，设置相应采集时段。

2.2.2 试验内容及方法

（1）按上述参数设置好仪器后，自动采集记录与计算机实时采集记录相结合，收集资料。

（2）由于前期采用H-ADCP 与缆道流速仪法比测，但相关性很差，后改为H-ADCP 与走航式ADCP比测。

（3）走航式ADCP 与H-ADCP 比测时间从2019 年5 月14 日开始，连续比测，同步收集走航式ADCP测流时的资料。

（4）对收集的H-ADCP 数据进行回放处理和分析，与走航式ADCP流速比测分析，确定代表流速关系。

2.2.3 比测试验及分析过程

（1）从2019 年5 月14 日到2019 年8 月10 日对小河坝站进行H-ADCP 和走航式ADCP 比测试验。率定期间水位变动范围为235.86～237.66 m，流量变动范围为132～5 460 m3/s，走航式ADCP 施测断面平均流速范围为0.053～2.55 m/s，即为H-ADCP代表流速法参数率定提供了一定范围的流速变幅。

（2）率定时特殊情况及资料处理

H-ADCP在比测分析期间，除6月5日10：39～6月8日00：41由于取数据过程中操作不当，导致数据被冲而缺失外，在其他时段内都收集到了资料。错误以及缺失时段相对整个分析时间来说较短，不影响资料分析。

（3）在进行代表流速分析时，在比测时段内，采用小河坝站大断面资料来推求相应断面平均流速，不影响资料分析研究的合理性和精度。

2.3 H-ADCP流量推算原理

当进行在线流量监测时，H-ADCP实时采集水平线上的流速分布数据和水位数据。需要选择适当的流量算法，利用这些数据以及过水断面数据计算出流量。有两种流量计算方法：代表流速法和数值法[18]。两种方法的主要区别：（1）代表流速法需要率定，而数值法不需要；（2）代表流速法不需要H-ADCP 剖面范围覆盖大部分河道断面。因此，它可用于河流宽度远大于H-ADCP 剖面范围的大小河流[18]。结合小河坝站实际情况，重点分析小河坝站走航式ADCP施测平均流速与H-ADCP代表流速法的关系。

2.3.1 代表流速法原理

代表流速法的基本原理是建立断面平均流速与代表流速（即某一实测流速）之间的相关关系式（即率定曲线或回归方程）。代表流速实际上是河流断面上某处的局部流速。断面平均流速则可以认为是河流断面上的总体流速。因此，代表流速法的本质是由局部流速来推算总体流速。在实际应用中，有三种局部流速可以用来作为代表流速[11]，分别为某一点处的流速、某一垂线处的深度平均流速和某一水层处某一水平线段内的线平均流速，见图4。

H-ADCP主要选取某一水层某一水平线段内的线平均流速作为代表流速。需要指出的是，第三种代表流速只要求某一水层处某一水平线段内的线平均流速，并不要求整个河宽范围内的水平线平均流速[11]。

图4 代表流速示意图Fig.4 Representational flow diagram

根据上述代表流速与断面平均流速建立相关关系，推算流量计算的基本公式[3]为：

式中：V为断面平均流速；A为断面过水面积。过水断面面积由断面几何形状和水位确定。对于某一断面，过水断面面积仅为水位的函数[3]：

式中：H为水位，过水断面面积与水位的关系通常采用表格或经验曲线来表示。

2.3.2 代表流速的率定

代表流速的率定即建立代表流速与断面平均流速的相关关系，建立率定关系（即流速回归函数或方程）需要两个步骤：

第一步是流量和代表流速采样。在采用HADCP 进行代表流速采样的同时，需用走航式ADCP 的测验流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据。样本需包含不同水位和流量级，具有代表性。通过比测，得到断面平均流速与代表流速相应的样本，其中代表流速要求选取不同单元范围，以反映层面不同级流速。

第二步是建立回归方程。要求选择合适的回归方程。表1列出了几种常用的流速回归方程。通过对比测值进行回归分析，从而确定回归系数。回归过程可以借助软件也可通过其他几种方式来分析。通常要求采用几种方程进行回归分析，最后对不同的回归分析结果进行综合评价，以确定最佳回归方程及代表流速单元范围。

表1 常用的流速回归方程Tab.1 Regression equations of flow velocity

3 比测试验成果分析

3.1 H-ADCP比测试验特征值统计

率定时间：2019 年05 月14 日10：59 至2019 年08月10日09：40。

测次：H-ADCP 共收集了19 244 组数据，走航式ADCP法实测流量85次。

比测期水位变幅：235.86～237.66 m，流量变幅：132～5 460 m3/s，（走航式ADCP）流速变幅：0.053～2.55 m/s（指断面平均流速），含沙量变幅：0.013～1.25 kg/m3。

本次比测率定：对85 次走航式ADCP 实测流量分高、中、低不同流量级，采用相邻三次流量抽取两次的方式作为比测资料（即57 次实测流量），余下实测流量（即28次实测流量）作为率定资料。为了体现随机性，抽取施测号为3的倍数的测次作为率定资料。

3.2 代表流速率定

3.2.1 代表流速段的选取

根据代表流速建立要求，依据代表流速稳定程度，即通过流速棒和回波强度，选取回波信号稳定、流速紊动较小的单元段，并结合大断面资料，初步确定小河坝站H-ADCP 的Vsl流速的水平段按照表2的单元范围进行选取。

表2 H-ADCP流速单元选取范围表Tab.2 Selection range of H-ADCP flow velocity unit

3.2.2 相应断面平均流速计算

按照表2流速单元选取范围，并根据同时段走航式ADCP施测的断面平均流速，通过回放PD0文件时，选取单元范围，代入相应的回归公式，进行回放（图5）及合理性检查（图6）（流速棒、回波强度等是否正常），即可生成H-ADCP 不同单元的代表流速。在比测期内，不同单元代表流速选取时段包含走航式ADCP单次流量测验起止时间的平均流速。

3.2.3 代表流速关系的率定及精度分析

根据57组分析数据，采用上述方法求得的HADCP 的代表流速Vsl与走航式ADCP 测得的平均流速V断进行回归分析。各种不同的代表流速段按照一元线性和一元二次代表流速回归方程进行分析计算。将测得的精度量化为水平速度误差的标准偏差[7]。通过误差分析及其他综合因素得出最佳合理的方案。

图5 回放设定Fig.5 Playback settings

（1）一元线性回归方程方案

代表流速和断面平均流速的一元线性回归方程为：

式中：Vsl表示H-ADCP 的流速不同单元段平均流速[12]；V断表示走航式ADCP的断面平均流速。

走航式ADCP 的V断与H-ADCP 的Vsl代表流速段的一元线性回归方程关系，其系统误差及相对标准误差如表3所示。相关性最好的宽度单位为序号（14-24）流速段Vsl。其代表流速段Vsl(14-24)与走航式ADCP测得V断关系见图7。

图6 流速和回波强度的合理性检查Fig.6 Rationality check of velocity bar and echo intensity

图7 Vsl(14-24）与V 断的一元线性回归关系图Fig.7 The linear regression between representational velocity Vsl(14-24）and section velocity V 断

（2）一元二次回归方程方案

代表流速和断面平均流速的一元二次回归方程为：

由于部分宽度单位段数据点相对离散，一元二次回归方程可能更好地反映代表流速和断面平均流速的关系。走航式ADCP 的V断与H-ADCP 的Vsl代表流速段的一元二次回归方程及其系统误差和相对标准误差如表4所示。可以看出，与线性回归比较，序号为1-8 的各段一元二次回归方程的相关系数、系统误差和相对标准差都有不同程度的改善。

表3 不同代表流速段的一元线性回归方程成果表及误差统计表Tab.3 Linear regression equations and statistics error table different representative velocity sections

表4 不同代表流速段的一元二次回归方程成果表及误差统计表Tab.4 Quadratic regression equation and statistics error table different representative velocity sections

由表4 可知，相关性最好的宽度单位为序号（14-24）的流速段。其代表流速Vsl(14-24)与走航式ADCP测得V断的关系见图8。

对不同宽度段测量的代表流速建立不同的回归方程后，比较其相关系数R2和统计误差。R2是判定回归关系是否优良的一个重要指标但并非唯一指标，相对标准差是衡量回归可靠性的一种标准，对于比较两个回归分析很有用。从表3 和表4的结果可知，所有宽度段的一元二次相对标准差都比一元线性的小。

将选定Vsl代入表3和表4的公式，计算2019年小河坝站H-ADCP 代表流速与抽取的28 次走航式ADCP测得流速的误差，对结果进行分析统计（见表5），验证各个公式的合理性。

图8 Vsl(14-24）(x)与V 断(y)的一元二次回归关系图Fig.8 The parabolic regression between representational velocity Vsl(14-24）(x) and section velocity V 断(y)

表5 不同代表流速段回归方程误差统计表Tab.5 Statistical error table of regression equations of representative velocities at different sections

结合上述综合分析，选取Vsl（14-24）的一元二次方程：

作为小河坝水文站H-ADCP 代表流速优选方案。根据以上选定的验证资料，绘制小河坝站验证的Vsl（14-24）流速残差图，见图9。

图9 Vsl(14-24)流速残差图Fig.9 Residual plot of representational velocity Vsl(14-24）

由图9 可知：有一次残差值达到0.12 m/s，但鉴于此次走航式ADCP 测得的断面平均流速为1.60 m/s，相对误差7.50%在合理范围内。除此之外，残差图基本呈现在0 值区间上下分布较为均匀，点子过程合理离散。因此说明Vsl(14-24)一元二次回归方程适用于小河坝站H-ADCP代表流速。

3.3 代表流速率定方案综合分析、评定

由于流速在0.10 m/s以下的绝对值太小，相对误差过大，不宜参加检验，故在此只分析流速为0.10 m/s 以上的误差。结合Vsl(14-24)误差统计分析结果，分析样本为23 个，一元二次相对误差大于10%的样本为1 个，系统误差为1.57%，标准差为5.46%；一元线性相对误差大于10%的样本为3个，系统误差为0.68%，标准差为7.66%。

上述样本比测数据分析表明小河坝站H-ADCP代表流速来代表断面平均流速是可行的。

通过验证分析论证，结合残差图、小河坝站的水流特性分析以及投产后代表流速率定关系应每年高中低不同流量级率定一次以上以验证关系稳定性等因素，最终选取Vsl（14-24）的一元二次方程V断=0.024 5Vsl（14-24）2+0.690 0Vsl（14-24）+0.021 0作为最优方案是合理和可行的。