H-ADCP在城市智慧引调水工程中的应用＊

徐煊 李树森 杨兴旺

（南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏南京 211100）

0.引言

在智慧引调水工程中，最为重要的基础感知设备是建立在城市河网各节点节制闸、排涝闸的H-ADCP流量站点，它们能够实时有效地测量河道流量数据，给大数据分析提供准确的数据支撑，同时给防洪排涝工作提供决策支持，有利于区域水资源合理的规划治理[1]，对智慧水利工程起促进作用。本文旨在研究H-ADCP在城市智慧引调水工程中的应用，对其精确性和可靠性进行实验验证。

1.H-ADCP测流

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）面世于20世纪70年代末，随着声波换能器的不断发展进步，国际上出现了多类型的ADCP，大型海洋研究项目如TO-GA，WOCE，WEPOCS 等都使用了ADCP，在它当时也被海委会正式列为4种新型先进海洋观测仪器之一[2]。

H-ADCP是指水平固定式声学多普勒流速剖面仪，相较于传统测流仪器，它具有测量精度高、安装简便等多个优点。根据工程经验和设备参数来看，H-ADCP适用于流道顺直，水流平稳，无紊流区的明渠河道中，而城市智慧引调水工程中，城区河道均为人工衬砌河道，符合H-ADCP使用的环境要求，能够充分发挥其测流的准确性和可靠性。本文使用的H-ADCP是国电南瑞科技股份有限公司自主研发的设备NDCP3090H。

2.率定分析

2.1 分析方法

为研究H-ADCP在城市智慧引调水工程中测量的可靠性和精确性，本文选取引调水工程中主干河道节制闸的实测流量站进行测流精度率定比测实验分析。根据工程建设要求和水文测量规范，测流设备安装位置距离上下游水工建筑物在5倍河道宽度以上，设备声波发射器的俯仰角和倾斜角在±0.5°以内，声波方向垂直于河流流向。对照率定使用的设备是TRDI走航船，性能参数符合测流规范，在率定实验中广泛应用。根据传统指标流速法的原理，利用H-ADCP测量的流速为指标流速，走航式ADCP测量的流速作为实测流速，建立回归关系。由于实验所在河道淤积较少，断面为规则断面，且TRDI走航式ADCP与NDCP3090H型H-ADCP 设备的测流断面为同一断面，所以本文对流量数据进行线性回归分析，满足《SL/T 247-2020水文资料整编规范》中测流定线要求。同时根据比测产品性能和水文行业规范要求，本文采用一元线性方法对指标流量和对照流量进行回归关系定线和比测率定分析。

2.2 比测率定

本次比测率定分析实验选取城市河道节制闸闸前河道流量站进行流量比测率定实验，确保比测实验符合水文观测规范，实验结果能够验证NDCP3090H型H-ADCP在城市智慧引调水工程中测流的精确性和可靠性。由于比测实验时间为4月，城市水资源紧缺，闸门放水管控严格，本次只进行常水位的流量比测率定，总共70个测次。通过比测实验得到对应流量数据，以此进行回归定线，得到H-ADCP指标流量和断面流量的关系公式：QP=0.9662Qi，相关系数R2=0.9912，式中，Qi表示指标流量，Qp表示断面流量。

2.3 检验分析

根据《SL/T 247-2020水文资料整编规范》[3]对实验数据和关系曲线进行定线精度检验和关系曲线检验，保证H-ADCP测流数据的准确性和稳定性，验证水平固定式声学多普勒流速剖面仪在城市智慧引调水工程应用的合理性。

2.3.1 定线精度检验

由于本次实验得到的关系曲线为一元线性回归曲线，是经单值化处理的单一线，同时流量实测点数不少于10个，因此需要计算实测点对关系线的标准差、随机不确定度和系统误差。通过水文资料整编规范公式和关系曲线数据，计算得到实测点标准差为6.9%，随机不确定度为13.8%，系统误差为0.12%，满足3类精度水文站采用ADCP测流单一曲线法的定线精度指标，即随机不确定度不超过14%，系统误差不超过2%。

2.3.2 关系曲线检验

因为本次实验得到的指标流量关系曲线为一元线性回归曲线，根据规范要求，属于经单值化处理的单一线，且流量实际测点在10个以上，所以需要对流量关系曲线做符号检验，适线检验和偏离数值检验。根据率定比测的70个测次数据和断面流量关系曲线，计算对应检验的统计参数，与对应显著性水平a下的允许最大临界量进行对比，得出各个曲线检验的结果。经计算，符号检验在显著性水平a为0.25的情况下，统计参数u为0.84，小于允许最大临界量1.15；适线检验由于统计参数k为36，大于测次参数0.5（n-1），因此无需做适线检验；偏离数值检验在显著性水平a为0.20的情况下，统计参数|t|为0.15，小于允许最大临界量1.28。

由上述统计参数计算结果可以看出所得流量回归关系曲线满足各项检验标准，因此可以判定率定结果合格，率定实验得到的关系曲线适用于城市地区河道测流环境。同时，根据地方流量站水文测量规范要求规定“首次比测率定成果质量可暂时按照样本总数不少于15个、随机误差≤15%、相对误差≤20%样本数不少于90%控制”，本次率定实验随机误差为13.8%，样本数70个，全部样本相对误差不超过20%，满足对应规范要求。

根据率定比测数据以及流量关系曲线分析可以得到，本次率定相关统计量均在允许最大临界值以下，检测结果符合率定比测规范要求，验证了国电南瑞科技股份有限公司自产H-ADCP设备NDCP3090H在城市河网的实时在线流量监测具有较高的测流精度，能够确保智慧引调水工程流量数据的准确性和稳定性。

3.结语

综合上述智慧引调水工程背景和设备测流精度率定实验结果来看，国电南瑞科技股份有限公司研发自产的H-ADCP设备NDCP3090H在城市智慧引调水工程中的应用具有较高的实际意义，它提高了流量测量的精确性和实时性，摆脱了原有依靠人工计算的流量测量方式，为引调水工程中的智慧分析和方案决策提供了一种更加高效的数据采集方式。尤其是从比测率定的精度检验成果来看：城市河网流量站安装的NDCP3090H型H-ADCP结果数据整编得到的流量曲线呈一元线性回归关系，关系曲线检验的各类统计参数均符合规范要求，这证明NDCP3090H能够满足引调水工程的测量精度需求，保障智慧引调水工程的稳定运行。