河道流速最优代表垂线探寻方法

杨创鹏,韦庭春

(1.广东省水文局佛山水文分局，广东 佛山 528000; 2.南京灵水环境监测技术有限公司，江苏 南京 210000)

1 概述

近年来，我国河道流量测验仪器有了很大的改善，从流速仪、水工建筑物等逐渐发展出电波流速仪、声学多普勒剖面流速仪，其中声学多普勒剖面流速仪简称ADCP，得到了广泛的应用[1-7]。ADCP按测验方式又分为走航式ADCP、水平固定式ADCP和垂直固定式ADCP。固定式ADCP只能测量河道水体某一流层或某一垂线的流速，再通过与断面平均流速建立相关关系，以及查询该河道断面水位—面积关系，进而计算得到断面流量[8]。在这过程中，固定式ADCP所测流层或垂线位置的选取尤为重要，其测验位置的代表性决定代表流速与断面平均流速相关关系的好坏，直接影响最终断面流量的测验精度。而固定式ADCP一旦安装就不易变换位置，尤其在无水文历史资料的河道断面，其安装位置的选取难度极大。

本文主要探讨在无水文历史资料的河道断面，利用走航式ADCP流量测验成果，并进行数据分析整理，结合河道地形，推算出流速最优代表垂线位置，为垂直固定式ADCP的安装位置提供参考依据。

2 研究方法

2.1 资料需求

随着社会经济快速发展，我国对水资源的管理越来越重视，对水利信息化要求越来越高，而在河网密布的珠三角地区河流监测站以潮位站为主，仅有极少数站有监测流量，绝大部分河段均无历史流量测验，缺乏河道地形、横断面、流速分布等资料。走航式ADCP在流量测验过程中，可收集到断面流量、平均流速、面积、垂线水深、水面宽、船速、水温等多个参数数据[9-10]，为探寻测验河段有代表性的测流垂线，需要使用ADCP后处理软件对测验结果进行分析，进一步得到横断面流速分布情况，获取指定起点距测速垂线各流层流向流速。

2.2 代表垂线优选方法与原则

天然河道的流速横向分布并非杂乱无章，其具有一定规律，如顺直、无支流和挡水构筑物的河流，其流速分布为中弘流速最大，向两岸逐渐变小，且当河流流态不发生改变时，其流速横向分布规律是稳定的。河流的这一特性决定了部分水体流速与整体流速之间具有一定的关系，通过建立关系，测量此部分水体流速，可计算得到整体断面的流速。本文通过分析多条走航式ADCP的测速垂线，综合考虑相关关系、测验等多方面的要求选取代表垂线，从而实现断面平均流速的测验。

走航式ADCP测流结果只有流速单元，没有测速垂线，为选择代表垂线，确定垂直固定式ADCP安装位置，应先根据测验河道大断面资料，按照测速垂线布设原则，假定多条测速垂线，使其基本控制断面地形和流速沿河宽分布的主要转折点，且河流主槽垂线布设应较河滩为密，再通过后处理软件提取各垂线平均流速。

代表垂线优选应综合考虑垂直固定式ADCP测验要求、环境影响、安装难度、代—断关系等因素。垂直固定式ADCP测验需要一定水深，需根据河段历史最低水位、平均水位及河床高程进行判断，同时在潮汐河流岸边多数会出现回流，因此，不宜选择距岸边太近及水深较浅位置。大部分河道具有通航功能，其主流位置往往为主航道，代表垂线的选择应尽量避开主航道，以免过往航船对测验精度造成影响，甚至水位较低时撞毁仪器，同时，优先选择河床起伏变化较小位置，以降低安装难度。测速垂线的代—断关系，决定垂直固定式ADCP流量测验的精度，代表垂线的选择必须考虑代—断关系稳定且良好。

3 研究实例

3.1 测速垂线布设

本文以珠江三角洲潮汐河流西航道广和大桥下游测流断面为研究区域，拟在河床安装垂直固定式ADCP，从而探求河道的水量情况。该河段建有老鸦岗潮位站，实测历史最高水位为3.59 m，历史最低水位为-0.63 m，河道顺直，两岸修有堤防，部分河段右岸有规模较小的滩地。本文利用走航式ADCP进行潮期为26 h连续整时测验，获得不同水位级的流速分布资料，水深状况以及断面形状。走航式ADCP测量是动态过程，每2条垂线间的横向距离由当时水深及船速决定，因此，垂线间距并非固定数值。对于单组数据，平均流速和水深值也具有一定脉动，所以,根据实际大断面情况，数据需提取一定水深范围内的垂线流速及水深平均值，作为某条固定垂线的水深值及平均流速值。

为得到测验河段较为有代表性的测流垂线，需使用ADCP后处理软件，计算每组走航测量时的测时水位、过水面积、断面平均流速、瞬时流量、各垂线对应的平均流速和水深等。依据大断面情况，通过断面测速垂线布设原则以及考虑仪器安装情况，初步选取110 m、170 m、240 m和330 m 4个垂线位置进行对比，进而选取最优代表垂线进行仪器安装(如图1所示)。

图1 测验断面垂线布设示意

走航式ADCP在多次测量过程中无法保证走航路线一致，为减少由位置偏移产生的垂线平均流速误差，本文采用多条测速垂线的流速平均值作为代表垂线流速。分析测验河段大断面，结果可知：当起点距变幅在±5 m内时，河底高程变幅相对不大，在±0.3 m范围内。因此，本文代表垂线宽取10 m，其中走航式ADCP测速单元宽为2.5 m，即取连续4条单元垂线的均值作为1条代表垂线测量值，得到数据，表1为起点距170 m代表垂线流速提取方法及计算结果。

表1 起点距170 m处流速计算结果

3.2 垂线拟合结果对比

利用走航式ADCP测量数据，提取垂线平均流速与走航式ADCP，测完整各断面得出的平均流速之间相关性进行分析，建立各垂线平均流速与实测断面平均流速之间的相关关系(如图2所示)。

图2 各代表垂线平均流速与实测断面平均流速拟合结果

为判断代表流速—断面平均流速相关关系，按《水文测量规范》(SL 58—2014)和《水文资料整编规范》(SL 247—2012)要求，对代表流速—断面平均流速相关关系曲线进行符号检验、适线检验和偏离数值检验(即三线检验)，检验结果见表2。

表2 测速垂线代—断关系三线检验结果 %

从检验结果表2可知：起点距为330 m的测速垂线代—断关系较差，未通过偏离数值检验，且测点标准差、随机误差均相对较大。起点距为110 m、170 m和240 m的3条测速垂线均通过3线检验，其中起点距为240 m的测速垂线标准差、误差、系统误差均比110 m和170 m垂线大，代—断关系相对不稳定。

起点距为170 m垂线水深相对110 m垂线较深，河床远低于历史最低水位，且更靠近河道主流位置，在低潮时能保证足够的测速区间，避免测速区间过短而影响测验精度。因此，综合考虑仪器测验要求、代—断关系，4条测速垂线优选顺序为：170 m垂线最优，其次为110 m，240 m，330 m。经调查，170 m垂线不在主航道范围内，但又靠近主流，在此位置安装垂线固定式ADCP不会影响通航，同时又能获得最佳测验效果。

4 结论与建议

本文探讨数据来源为走航式ADCP在连续走航过程测到的原始数据，本身走航式ADCP是在移动测量的，无法保证多次测量路线的一致性，垂线平均流速自身稳定性有一定偏差，单条垂线测量的数据也有一定的脉动。同时取单一垂线代表整个断面流速具有一定的局限性，代—断关系的稳定性对流速测验的准确性有较大影响，故此方法仅适用于顺直、漫滩范围小，无桥梁、沙洲等拦河阻水物体的河流，且测验断面附近无较大支流汇入。

本文选取垂线位置附近一定范围内的多条单元垂线平均流速均值作为代表垂线平均流速，利用此平均流速进行关系拟合，评定代表性关系的好坏程度，从而寻找河道断面最优代表垂线，为安装垂直固定式ADCP，实现流量在线测验，具有参考指导意义。