福建省永泰水文站H- ADCP 比测率定分析

黄义辉

（福建省水文水资源勘测局闽江河口水文实验站，福建 福州350001）

1 概述

H-ADCP 声学多普勒流速剖面仪是一种先进在线流量监测设备，具有高精度、高分辨率特点，可以使用较小的单元，在较短的时间步长内获得精确的流速数据，对于较难测验的低流速和非恒定流也能获得高质量的测量数据；具有采用时间短、流速准确的特点，适用于多类河流的流量监测。H-ADCP 的主要测取测流断面特定区域的指标流速，要真正实现流量在线监测，还需建立指标流速与断面平均流速的关系。断面平均流速采用转子式流速仪、走航式ADCP 等设备测定。现以永泰水文站为例，简述H-ADCP 流速关系的率定方法。

2 测站概况

永泰水文站建于1950 年10 月28 日，为闽江流域大樟溪水系大樟溪的控制站，地理位置为东经118°57′，北纬25°52′，集水面积4034km2，基本断面至河口距离43km，属于国家基本水文站。

其水位变化主要是受上游5km 界竹口电站发电闸门启闭的影响以及下游1km 的东风电站发电闸门启闭的影响。

永泰水文站所在位置河道顺直，下游650m 处有一弯道，对中高水起控制。河床组成为鹅卵石，断面稳定，起点距110 处有一沟槽。根据规范规定，永泰站水面宽和水深的比值小于100，属于窄深河道。大樟溪属于山区性河流，发生洪水时，水面漂浮物多为竹子和木头。

永泰水文站流量测验方法主要有：流速仪法、走航ADCP法、浮标法、比降- 面积法。由于受下游东风电站形成变动回水的影响，本站低水水位与流量关系极不稳定。

3 比测率定方法

本次H-ADCP 率定采用走航ADCP 与流速仪法实测断面平均流速V平均与H-ADCP 测出断面的指标流速V指标进行率定分析。为了确保资料一致性和精度，断面指标流速V指标的选择根据实测流量成果的起止时间选择接近的数据，将10 层数据按连续性原则进行组合，例如：1 层、1-2 层、1-3 层、……、1-10层、2 层、2-3 层、2-4 层、……、9-10 层、10 层，共有55 种组合方式，通过对不同组合数据进行分析，V指与V断平均建立关系。在前期对10 层数据不同组合做大量分析的前提下，最后选定1-10层数据组合作为永泰站本次H-ADCP 率定的方法。在流量测验中，严格执行《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）；流量相对稳定时，进行两个测回断面流量测量，往返各两次，取其均值作为实测流量值，流量短时间内变化较大时或特殊情况适当减少测回，以减小方向偏差可能引起的流量误差，每半测回流量值与平均值的偏差小于或等于5%认为测验合理。

4 H-ADCP 安装及参数设置

4.1 断面稳定性分析

根据永泰水文站2019 年水道断面比对分析计算，其面积比对均未超过±3%，水道断面稳定。由此可见永泰水文站测验河段断面稳定性非常好，已达到安装H-ADCP 规范要求。

4.2 率定断面流速分布分析

断面上的流速分布是指流速在断面上沿水深和横断面方向的变化规律，传统的流速垂线分布测量方法采用单点式流速仪逐一对各条流速垂线上不同深度测点进行点测量，而走航式ADCP 是基于声学多普勒原理的多普勒剖面流速测试技术，空间采样密度高，测速单元较多，测流时可以覆盖全部过水断面，能够提供更为精细的全断面二维流速数据。根据永泰水文站测站特性及近年传统流速仪与走航式ADCP 实测流量资料进行测流断面上的垂向、水平层流分布及垂向平均流速的横向分布分析可知，断面垂线流速分布基本符合理论流速分布特点。由断面流速分布特点的断面有效测速单元确定可知，率定断面的流速分布满足H-ADCP 安装规范要求，可为H-ADCP 安装位置的选择提供技术支撑。

4.3 仪器安装位置选择和断面情况

永泰水文站H-ADCP 仪器安装于缆道测流断面，位于基本水尺断面上游5m，如图所示。

从近几年断面图分析可知，断面较稳定，情况较理想，没有突起物等阻挡仪器波束，满足H-ADCP 安装工作要求。由于多普勒声波在受测范围不得碰到河底或者水面，所以H-ADCP 正常工作需要一定水深要求。

H-ADCP 正常工作发出的波束角为1.4°，能提供的纵横比最大能达到1：40，即当仪器上下水深各有1m 的时候，声波打出去的最大有效距离为40m。为了确保在各级水位上H-ADCP 测得的数据均有代表性，应该将H-ADCP 安装在最低水位以下1m 左右的地方。

根据近几年永泰水文站水位变幅情况以及结合测验断面实际情况，经过多次技术探讨分析后，最后决定将H-ADCP 仪器安装在新建护岸预设的槽内。仪器安装高程29.00m，基本可测到主流，所测到指标流速具有一定代表性。

5 率定分析

5.1 率定期间的水文情势

本次率定分析的时间段为2019 年1 月1 日至2019 年12月31 日，率定期间内水位未出现暴涨暴落的情况，水位变幅较较平稳。率定期间实测流量变幅为2.30～1530m3/s，实测流速变幅在0.007～1.62m/s，实测水位变幅为28.70～32.56m（罗零基面），属于中低水位级。

5.2 各项率定资料收集情况

本次H-ADCP 率定资料选取的时间段为2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日期间实测流量成果与H-ADCP 同步测得流量原始成果。根据本年度实测流量情况，通过层层比对筛选，最后选用45 组同期实测流量、水位及H-ADCP 测验指标流速数据进行分析。

5.3 比测分析

水位以人工观测水位记录为准，与固态测得水位进行比对分析。结果表明，固态水位测验较为稳定和准确，对比水位差值?Z 均在±2cm 内。其中，差值ΔZ=0 的有420 份，ΔZ＜0 的有270份，ΔZ＞0 的有195 份。故进行流量计算时采用固态测得水位资料满足规范要求。

（1）指标流速与断面平均流速关系的建立和关系曲线检验。将10 层数据按连续性原则进行组合，通过对不同组合数据进行分析，将指标流速与断面平均流速建立关系，本次分析采用电脑Excel 进行一元三次线性回归误差分析。

根据规范要求采用新的定线推流方法，经对以往资料的检验，不同方法计算的径流量误差不超过±3%者，可作为整编方法使用。对R2≥0.9990 的6 种组合计算径流量，计算时间为2019 年1 月至2019 年12 月。

根据统计分析可知，第1-10 层组合的成果最好，逐日平均流量表也更接近落差法定线成果，详见逐日平均流量对照表。对指标流速与断面平均流速进行适线检验，适线相关性良好，因此指标流速通过关系式计算后得到的数据可较好代表断面平均流速。因此指标流速组合方式确定为第1-10 层，关系式为：

y=0.3943x3-0.5821x2+1.4187x+0.0079

相关系数为R2=0.9992

采用以上关系式对2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的指标流速进行修正，计算断面流量并点绘逐日过程线，与逐日水位过程线进行对照，变化过程基本一致。因受到回水影响，流速小于0.10m3/s 的指标流速不参与三种检验。

将H-ADCP 所测得指标流速V指代入上述关系式，计算得到H-ADCP 线上断面流速，将实测断面流速与线上断面流速进行Z～V 关系曲线检验计算，得出标准差Se（%）=3.4，随机不确定度为6.8%，系统误差为-0.1%，符号检验、适线检验以及偏离检验均符合《水文资料整编规范》SL247-2012 规范要求。

（2）日平均流量精度对比分析

根据永泰水文站往年临时曲线法推算的日、月平均流量与H-ADCP 后处理软件推算的相应平均流量进行对比分析。统计计算了6 个月的日平均流量对比分析显示：日平均流量相差较小，定线推流误差小，日平均流量计算误差满足规范要求。

（3）流量过程线合理性分析

选取2019 年2 场洪水摘录情况绘制两条流量过程线对比，两条流量过程线吻合程度较高，经统计相对误差≤±5%的合格率为85%，相对误差≤±10%的合格率为100%。

（4）水量对照分析

2019 年永泰水文站没有发生大洪水，年最高水位为32.56m，H-ADCP 测得最大流量为1650m3/s，实测最大流量为1530m3/s，年平均流量为92.5m3/s，年径流量为29.16×108，与人工自计纸对比分析可知，永泰水文站河段水量基本吻合，满足规范规定要求。

6 结论

H-ADCP 测流系统是一种先进的测流设备，它具有安装简便，日常运行成本低，维护少，快捷、实时、准确的优点，并对不同水流，特别是受水利工程严重影响的河流，H-ADCP 系统的投入应用，将解决流量测验的难题；在各个流速级别，瞬时指标流速∽断面平均流速关系通过各项检验，精度高，测验成果令人满意。H-ADCP 的投入使用，将大大减轻永泰水文站测验的工作量，直接利用系统数据进行资料整编，更是减少了资料二次输入带来的错误，提高整编质量和工作效率。该仪器将为闽江流域大樟溪水系的水文预报和测验工作提供更为有效的技术手段，对加快福建水文现代化建设有着重要意义。

根据永泰水文站中低水时H-ADCP 测验水位的比测分析和指标流速的率定、误差分析及评价认为，可以应用H-ADCP进行中低水的水位流量实时监测。