都安水文站水平式ADCP流速关系率定分析

韦新一

（河池水文中心，广西 河池 547000）

1 测站概况

都安站位于都安县澄江乡红渡村红水河河段左岸，站以上流域面积121 381 km2，是一类精度站，属国家重要水文站。都安站设立于1936年，1943年8月后停测，1947年12月1日恢复，1951年4月停测，1951年 7月 25日恢复设为水位站，1958年恢复为水文站，1991年1月将断面下迁约6 km，改称都安站，该站测验河段顺直、河床稳定、主流稳定，河段两岸为高山峡谷，河宽在60～150m之间，河床由沙砾组成，左、右岸以岩石构造为主，断面无分流、漫溢现象。监测要素有：水位、流量、含沙量、降水量、水面蒸发量、水温、岸温，2007年10月起，水位、降水量采用自动监测，流量监测以水文缆道流速仪法为主，走航式ADCP为辅。2010年5月起，流量采用水平式ADCP在线自动监测。

2 设备安装调试

2.1 设备引进

因原用水平式ADCP 设备老化功能衰减，2017年4月重新购置安装新设备，为美国RDI 公司生产的ChannelMaster600型声学多普勒流速仪（简称CM型H-ADCP）下称ADCP，该仪器是RDI 公司新一代ADCP产品，仪器同时配有压力式水位计、超声波水位计、指标流速探头、泥沙浊度探头、水温度探头，它具有结构紧凑、配置高、功能强等特点。

2.2 设备安装

基于河流特性、仪器性能和要达到安装的目的要求，采用固定式水平安装在基本断面左岸（测流断面下游约5 m）第四台测井边，在测井边上安装固定升降支架，仪器固定在支架上，起点距约51.2 m，仪器安装高程为109.60 m，水平式ADCP 仪器安装位置图见图1。

图1 水平式ADCP仪器安装位置图

2.3 仪器调试与参数设置

仪器调试纵摇、横摇分别为：-0.24°和0.12°。在正常运行期间纵摇、横摇均小于±0.5°，符合精度要求。测流系统采用的流量测验软件为流量通（QMonitor-H），版本为5.0。仪器完成安装后，初设的主要参数为：指标流速采样单元5～140 m；采样单元设置为128个，单元尺寸为1 m；流层18个，每流层6 m；采样间隔300 s；采集一次样品，盲区5 m。

3 比测及率定分析

3.1 比测率定方法

比测率定的实质和目标是建立指标流速与断面平均流速关系，即Vi～Vm关系方程。其中，断面平均流速采用流速仪法、走航式ADCP 法相结合测定；指标流速采用水平式ADCP在线监测。

在断面平均流速测定中，因测流断面正常水面宽83～148m，流速仪法主要布置10～20 条测速垂线，两点法，借用断面，测速历时100 s以上；而走航式ADCP法，每次按两个测回，通过取平均测定。

在指标流速测定中，仪器的水下换能器水平方向装在高程为109.60 m固定位置，向河对岸水平发射超声波，测得某一段单元长度内的平均流速。以5 min/次进行实时指标流速监测，监测实时上传到流量监测网站。

3.2 数据收集

试运行正常后，收集2017年5～12月共127份流速仪法、走航式ADCP法实测流量，具体数据见表1。

表1 水平式ADCP与流速仪法和走航式ADCP测法流速对比

图2 水平式ADCP指标流速与断面平均流速相关关系图

3.3 率定及方案比选

根据上表比测数据，使用流量率定软件定线通操作绘制水平式ADCP指标流速与断面平均流速相关关系图（如图2），其关系呈明显的线性关系。

从图2可以看出一元二次多项式拟合的精度最好，相关系数0.99 440，系统误差-0.2 282，系统不确定度12.12，系统偏差0.000，曲线标准差0.0 474，即：V=0.0 549+1.0 349Vi-0.0 663Vi2。

4 实测流量成果对比分析

4.1 流速成果对比分析

将水平式ADCP 指标流速代入V=0.0 549+1.0 349Vi- 0.0 663Vi2，计算对比水平式ADCP 与实测127次流量各测次时间内水平式ADCP的断面平均流速Vm，借用流速仪测流断面面积和走航式ADCP 的同步面积计算水平式ADCP 测验流量QADCP，与实测流量成果对比见表2。

表2 水平式ADCP流量与实测流量比较分析表

4.2 流量成果对比分析

将流速仪测法和走航式ADCP测法的流量与计算水平式ADCP 流量QADCP（借用各实测次的断面面积进行计算），进行3种检验，检验情况见表3。检验结果：标准差为5.4%，随机不确定度为10.8%，系统误差为0.0%，说明线型合理，检验符合要求。

表3 实测流量与水平式ADCP流量关系曲线检验计算表

5 6 7 8 9 1 0 11 12……120 121 122 123 124 125 126 127样本容量：符号检验：适线检验：偏离数值检验：标准差：164 146 147 53 162 174 175 168……124 76 129 131 128 132 127 126 N=127 u=0.35 U=-0.62|t|=0.06 Se=5.4%111.64 111.77 111.85 112.10 112.17 112.56 112.98 113.31……113.94 128.99 129.24 129.35 129.61 129.66 130.21 130.75 405 520 471 708 528 601 753 915……6500 6510 6640 6690 6890 6870 7110 7660 514 492 449 630 649 726 876 1030……6471 6396 6706 6670 6928 6672 6927 7311-21.21 5.69 4.90 12.38-18.64-17.22-14.04-11.17……0.45 1.78-0.98 0.30-0.55 2.97 2.64 4.77-21.24 5.66 4.87 12.35-18.67-17.25-14.07-11.20……0.42 1.75-1.01 0.27-0.58 2.94 2.61 4.74符号交换次数：66合格451.14 32.04 23.72 152.52 348.57 297.56 197.96 125.44……0.18 3.06 1.02 0.07 0.34 8.64 6.81 22.47正号个数：66允许：1.15（显著性水平 a=0.25）免检允许：1.65（显著性水平 a=0.10）随机不确定度：10.8%合格系统误差：0.0%

4.3 时段径流总量对比分析

利用传统测验整编方法、水平式ADCP 实时流量整编方法所计算的不同时段径流总量进行对比分析（见表4）。结果各项指标对比均低于2%，说明分析的数据合理、定线方法、推流正确可靠。相关公式V=0.0 549+1.0 349Vi-0.0 663Vi2，推求出流量结果达到整编规范要求。

表4 时段径流量对比表

5 率定质量总体评定

（1）率定数据采集从2017年5月11日～12月31日，在此期间水平式ADCP测速设备运行正常，流量信息瞬时采集连续完整、合理可靠。水平式ADCP与流速仪测法和走航式ADCP 测法共比测127 份次，得到较为完整的流量过程（Q～t）。

（2）率定数据完整、全面，涵盖了都安站推流各项要素，经过对比、计算、分析、整编，各种特征流量成果合理，年径流总量误差为1.04%。

（3）用水平式ADCP 方法采集的指标流速数据进行整编，流量成果质量合理可靠，避免了常规测流～定线方法造成的测验不完整和人为定线误差，达到了流量实时在线监测的目的。

（4）水平式ADCP指标流速与断面平均流速相关系数0.99 440、相关公式：V=0.0 549+1.0 349Vi-0.0 663Vi2，适用水位范围111.00～130.75 m。可用于都安站2018年度流量测验和资料整编，解决该站长期受水利工程调节影响、水流条件复杂的难题。

6 结语

根据以上分析，在都安水文站使用声学多普勒流速仪进行流量在线监测是可行的，并且是必要的。与传统测流仪器相比，具有不扰动流场、测验历时短、操作简便、连续性强、易于管理等特点，不但可以直接测出河流断面流层的流速分布情况，而且可以通过在线监测功能取得河流断面实时的流速变化过程，经过软件处理，进行流量资料整编，能取得较高质量的流量成果。因而十分适合在类似于都安水文站这类受水利工程调节影响、水流条件复杂的河段中进行流量监测。