流量在线监测在九江水文站的可行性分析

柯莉莉，谢雅蕾，谢 波

（长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局九江分局，江西 九江，332000）

0 引言

流量测验是对江河、渠道流量的实地测量，是水文站最重要的观测项目之一。我国河道水文站绝大多数都采用流速面积法原理开展流量测验[1]，常用的有流速仪法测流、浮标法测流、走航式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测流、水力学法等。传统的流量测验方法在水文站流量测验中发挥了积极的作用，但存在操作复杂、用时长、劳动强度较大及工作效率不高等缺点，已难以满足我国水文站点快速增加和功能扩展的要求[2]。近年来水利部水文司更是发文要求今后水文站原则上按照自动站建设，实现无人值守和自动测报，流量测验技术和设备配置应以在线或自动监测为主，因此在传统流量测验方式的基础上进行研究分析，积极推进流量在线监测，提高水文站自动化程度和工作效率，具有十分重要的意义[3-4]。本文主要是以九江水文站为例，找出该站代表全断面平均流速的垂线位置，推进在线流量监测在该站的实现，同时为同类型的水文站流量在线监测的前期规划提供借鉴。

1 概述

九江水文站设立于1904 年10 月，位于江西省九江市浔阳区滨江路，测站编码60113400，东经115°58′48.1″，北纬29°43′42.9″，集水面积1 523 041km2，距长江口约870km，是长江中游干流控制鄱阳湖入汇长江前的基本站，属国家级重要水文站。九江水文站1988年开始增加流量项目，流量为一类精度站，该站传统的流量测验方法为流速仪法测流、浮标法测流、走航式ADCP 测流，历史最高水位为23.03m（1998 年），最大流量为75 000m3·s-1（1996 年）。目前九江水文站的水文测验方式为驻巡结合，流量测验方法为走航式ADCP，测次布置按连时序法要求，全年实测流量均在80 次左右。九江测流断面上游约6km 处建有九江长江二桥，下游约3km 处有九江长江大桥、约9km 处有张家洲将长江分为南北两江；下游30km 有鄱阳湖入汇长江，水位～流量关系不稳定。为了提高流量整编成果的精度和报汛准确性，推进流量在线监测的实现，现用九江水文站近5 年（2017 年～2021 年）的实测走航式ADCP 流量资料为依据进行指标流速多元线性回归分析。

2 测验河段及断面特性

九江水文站测验段顺直长约13km，河宽约1.4km，流速仪测验断面在基本水尺断面下游1 086m，断面下游1 560m 有锁江楼突出江右岸，是良好的低水控制点，高中水时由于上游来水，断面冲淤变化较大；测验断面呈偏“V”型，深槽靠近右岸。河床在起点距860m 以左为沙质组成，860m 以右为礁板乱石。断面左岸坡度微缓，中低水时由于水流挟沙能力减弱，存在部分泥沙淤积，高水时由于上游弯道作用，将沉积泥沙冲刷，形成“低水淤积，高水冲刷”的规律，而右岸坡度较陡且组成稳定，断面两岸及河床组成牢固，无坍塌现象。从历年汛前和汛后的大断面资料可以看到左岸坡在起点距150m～690m 之间有部分冲淤。测验河段平面图见图1。

图1 九江水文站及测验河段平面图

3 指标流速垂线代表性分析

3.1 选择原理

流量在线监测可以通过流速面积法和水力学法来实现。常见的流速面积法有：指标流速法、断面流速分布模型法和表面流速法。目前，国内外使用最多的在线监测方法为指标流速法[2]。指标流速法专指要通过建立指标流速与断面平均流速相关关系计算断面流量的方法，对于特别复杂的河段有良好的应用效果，是一种经验方法，其实质是由局部流速来推算断面平均流速。

指标流速共有三种：一是断面上某一点处的流速（点流速）；二是断面上某一垂线处平均流速（垂线平均流速）；三是某一水层处某一水平线段内的水平平均流速（水平平均流速）[5]。

本次分析选用九江水文站实测流量资料，通过对断面上不同起点距的垂线流速分布的分析，用单垂线或二条垂线组合作为代表垂线，通过对实测断面平均流速与代表垂线的实测流速的最小二乘法多元线性回归分析，即可以得到断面平均流速与指标流速的相关关系。若断面平均流速与指标流速相关性较好，则能达到通过指标流速推求断面平均流速的目的。

其断面平均流速和断面流量分别用公式（1）（2）计算。

式中：V1、V2为代表垂线平均流速，m/s ；Vc为相应的断面平均流速，m/s ；f（V1、V2）表示代表流速与断面平均流速之间的函数关系；Q 为断面流量，m3/s ；A 为断面面积，m2。

3.2 九江水文站断面分析

采用了九江水文站2017 年～2021 年的大断面数据，绘制实测大断面图，并计算断面面积随时间变化的百分比，大断面图见图2。

从图2 中可见起点距80m 至600m 冲淤变化较大，其余地方冲淤变化较小。从计算断面面积随时间变化百分比来看，2020 年受特大洪水影响汛后冲淤变化较大，大断面面积变化百分比为11.15%，其余年份大断面面积变化百分比均在-3.93%～5.90%以内，因此按声学多普勒流量测验规范要求应适当增加水道断面的测量，以减少借用断面带来的误差。根据九江水文站的断面分布和测站特性，以及长江航道通航的具体情况，拟用多种组合进行垂线平均流速与断面平均流速的统计分析，即单垂线为起点距600m、690m、1010m、1080m、1110m，两垂线组合为起点距600+1010m、600+1080m、600+1110m、690+1010m、690+1080m、690+1110m，共11种方案。

3.3 垂线流速测点数分析

在起点距600m、690m、1010m、1080m、1110m 五条垂线上分别按十一点的相对位置摘录流速，用三点法、五点法和十一点法进行计算垂线平均流速。将五点法和十一点法计算的垂线平均流速作为近似真值，分别对三点法与五点法、三点法与十一点法计算的垂线平均流速进行比较分析，结果见表1。

表1 垂线测点数分析统计表

从分析结果可见，各垂线最大平均流速为2.54m/s，最小平均流速为0.45m/s，最大差值为0.05m/s，最小差值为-0.02m/s。从表1 可见两种方法比较的相对系统误差和随机不确定度均满足《河流流量测验规范》（GB50179-2015）一类精度站的要求[6]，故此次分析选用三点法来计算垂线平均流速。

3.4 方案确定

对以上的11 种方案，进行了垂线流速与断面平均流速比值统计，见表2；用回归分析计算其相关系数R，见表3。

表3 2017 年～2021 年各组合相关系数

从表2 中可见两垂线组合比单垂线好，其中起点距690m 和1110m 的组合比例系数在0.900～1.000 之间的频率为99.2%，比例系数在0.950～1.050 之间的频率为87.3%。

从表3 中可见，单垂线的垂线平均流速与断面平均流速相关系数R 在0.914 5～0.966 6 之间，两条垂线平均流速与断面平均流速相关系数R 在0.963 8～0.984 5之间。其中起点距690m 和起点距1110m 的组合，五年的复相关系数R 在0.977 0～0.984 1 之间，表明该组合断面平均流速与垂线平均流速的拟合度较高。通过计算，两条垂线平均流速与断面平均流速的相对系统误差和随机不确定度均满足声学多普勒流量测验规范（T/CHES 61-2021）第6.5 节中关系线定线与检验的要求。

综合上述以及测验断面冲淤变化和航运安全等因素，认为选择起点距690m 和起点距1110m 的组合计算的垂线平均流速为最佳。并对此代表垂线进行了符号检验，适线检验，偏离数值检验，数值分别为0.91，0.56，-0.05，均满足规范规定定线要求。

4 误差分析

为检验研究成果（垂线690 与垂线1110 组合）是否满足精度要求，选取2017 年～2021 年393 个测次进行误差分析，水位为22.65m～8.35m，分别用每年的回归方程计算垂线平均流速，以每年的实测大断面为依据推求实测流量时的断面面积，从而推算出在线断面流量，结合实测流量数据进行分析，相关关系见图3。

图3 2017 年～2021 年流量相关关系图

根据误差分析，这五年的在线断面流量与实测断面流量系统误差为-0.46%，随机不确定度为9.80%，相对误差绝对值不大于0.06 的个数占总数的80.7% ，不大于0.05 的个数占总数的73.8%，表明70%以上的测次误差均在0.05 以下。其中实测最大流量为65 700m3/s，推算出的在线断面流量为64 539m3/s，相对误差为-1.77%，满足规范要求；由图3 可见，在线断面流量和实测断面流量线性关系较好，成果精度满足规范要求，垂线组合具有很好的代表性，适用于九江水文站的流量测验在线监测。

5 结论

（1）流量在线监测指标流速垂线选址，应充分考虑测站控制条件，尽量选择河床稳定、冲淤变化不大的断面。优先考虑单一代表垂线，当精度不满足要求时，选择两条代表垂线计算分析。九江水文站从上述计算数据分析，起点距为690m 和1 110m 的两条垂线组合的垂线平均流速与断面平均流速有较好的关系，可以直接用来作为该站流量在线监测使用的代表性垂线。

（2）由于九江水文站的流量断面分布和测站特性，断面上起点距600m 以左冲淤变化较大，起点距1 000m至右岸河床稳定，且此次用实测大断面推求面积时，就发现在实测大断面以后的一至二月，面积误差较小，特别是在主汛期7～9 月绝对误差最大偏小1 900，2020 年特大洪水年的主汛期绝对误差偏小达2 600，因此水道断面测量要加密，以减少借用断面带来的误差。同时，建议增加H-ADCP 自动测流设备，采用指标流速法，建立在线平均流速的指标流速关系，进一步提高流量在线监测的精度。