H-ADCP 在沿海川东港闸水文站的比测率定研究

宗长荣，刘永亮，薛 亮，王昌平，周晓强

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224000）

0 引言

川东港闸水文站为国家基本水文站，设有水位、流量、降水等测验项目，主要功能为掌握川东港闸水情变化，控制其入海水量，为防汛防旱、水利规划、水资源管理搜集、积累水文资料。该站传统流量测验是通过缆道搭载流速仪进行，该方式耗时费力，且流量数据无法实时在线传输。2021 年底管理单位改革该站流量测验方式，安装了横向式声学多普勒流速仪（H-ADCP），并进行了比测率定，成果应用得到了上级部门的批复。

1 测站水文特征

川东港闸水文站流量监测断面下游1100m 处为中型挡潮闸川东港闸，闸身共10 孔，每孔10m，总净宽100m，其中北侧边孔为通航孔，其余为泄洪孔，闸底板面高程-2.55m（废黄河口基面，下同）；泄洪孔采用直升式钢闸门，设置胸墙、顶高7.6m。设计日平均最大过闸流量457m3/s，实测瞬时最大过闸流量为968m3/s，历史最高水位为3.37m，最大流量为788m3/s，最低水位为-0.77m，最小流量为-95.0m3/s。

2 率定分析

2.1 测流断面分析

川东港闸水文站缆道流速仪兼走航式ADCP 测流断面位于闸上游1100m 处，H-ADCP 测流断面位于闸上游1084m 处，两测流断面相距16m，断面宽约201m，断面最低高程约为-3.39m，两岸为斜坡式护岸。缆道测流断面与H-ADCP 断面之间无外水汇入，测流断面形状基本一致，可视作同一断面进行分析使用。资料处理时，以流速仪和走航式ADCP测量值为基准值进行对比分析。

2.2 仪器安装方式及位置

本站选用的H-ADCP 是美国RDI 公司生产的ChannelMaster600KHz 型产品，最大测量距离90m。H-ADCP 安装位置对其测验精度有较大影响，据经验，安装在多年平均水深的60%位置处比较合适。依据实测断面图，安装高程确定在-1.00m 处，测流相对水深范围0.11～0.89m。除枯水期较低水位时（相对水深小于0.2m）会影响H-ADCP 测速代表性外，基本满足流量测验要求。H-ADCP 安装位置见图1，安装高程分析表见表1。

图1 川东港闸水文站测流断面图

表1 川东港闸（闸上游）站H-ADCP 安装高程分析表（单位：m）

2.3 率定分析

2.3.1 比测安排

2021 年3 月11 日至8 月4 日期间，采用缆道流速仪法（常测法）及走航式ADCP 法测流共实测63 测次。其中，两次因H-ADCP 出现故障导致数据缺失，不符合率定要求，实际61 个有效测次参与率定分析。

2.3.2 H-ADCP 单元流速选用区间分析

川东港闸水文站H-ADCP 安装在右岸断面距离34.0m、高程-1.00m 处，川东港闸水文站横向流速分布见图2，其中H-ADCP 仪器设备从53 单元向后会出现数据异常值，但对本次率定范围不产生影响。从流速分布图分析得出，H-ADCP 在起点距36.0～90.0m 之间的测量数据稳定可靠，经过滑动挑选，采用第3～46 个实测单元流速区间进行计算率定，得出的流速相关关系合理性最好、定线精度最高。单元流速选用分析见表2。

图2 川东港闸站横向流速分布图

表2 单元流速选用分析表

2.3.3 比测率定分析

经对61 个有效测次分析计算，并对资料成果进行率定，得到川东港闸水文站代表流速VCP和断面平均流速相关关系，见图3所示。

图3 川东港闸水文站-VCP 关系曲线图

2.3.4 检验分析

根据《水文资料整编规范》（SL/T247-2020）规定，对川东港闸水文站率定的流速公式进行符号、适线、偏离检验，检验结果均符合三项检验允许值要求。经计算，该站关系线系统误差为0%，随机不确定度18.7%，满足感潮站三类站关于定线精度的要求，见表3 所示。

表3 Vi-Vp 关系线三项检验成果表

2.3.5 测验误差分析

2.3.5.1 比测资料误差分析

流速仪测量通过布设的8 条测速垂线，在每条垂线水深的0.2m、0.8m 位置进行测量，该测流方案满足测站任务书的相关规定。另对走航式ADCP 流量比测的45 次数据误差分析，计算出各次实测流量的一个测回的平均流量值的相对标准差Se和随机不确定度，统计出比测流量值的平均相对标准差Se为0.9%，随机不确定度为1.8%；相对标准差Se的范围为0%～2.3%，随机不确定度范围为0%～4.6%。单次流量测验误差均满足该三类精度站规定的精度要求。

2.3.5.2 流速脉动引起的流速测量误差

由于H-ADCP 单次测流历时短，受相邻区间的脉动流影响，随机不确定度增加，本站通过对H-ADCP 测量数值做滤波处理，以获得高质量的流速数据，减小不规则的脉动流对流速的影响。

通过选取H-ADCP 在2021 年7 月5 日13:53—14:08 的第40 单元实测流速和滤波处理数据为示例进行分析，从计算结果来看滤波处理后的流速更趋稳定，因此，利用H-ADCP 连续测量，采用临近时段的流速进行滤波处理对于提高比测率定精度，效果显著。滤波前后精度评定分析计算见表4。

表4 滤波前后精度评定分析计算表

川东港闸水文站为三类精度的基本水文站，依据《水文资料整编规范》（SL/T247-2020）潮流（含感潮）站的流速相关定线精度要求，该站随机不确定度为20%，系统误差为±3%。根据该站H-ADCP流速率定分析成果，定线的随机不确定度为18.7%，系统误差为0%，符合规范要求的定线精度指标，同时亦通过流速关系线的三项检验。

2.4 应用范围分析

2.4.1 代表性分析

川东港闸水文站2015 年迁站以来，实测断面平均流速在0.22～1.37m/s，最大变幅1.15m/s，比测期间的断面平均流速0.27～1.37m/s，流速变幅1.10m/s，变幅已达到该站迁站以来实测断面平均流速变幅的95.6%；比测期间的最大流量为788m3/s，占川东港闸设计最大过闸流量的81.4%，比测资料具有较高代表性。

2.4.2 应用范围确定

经统计，川东港闸水文站本次H-ADCP 代表流速与断面平均流速关系率定范围为：H-ADCP 代表流速0.26～1.30m/s。实测断面平均流速0.27～1.37m/s。根据《水文资料整编规范》中第6.4.19 条规定，关系线可高水上延30%、低水下延15%应用，因此川东港闸水文站本次H-ADCP 代表流速与断面平均流速关系生产应用的范围为：H-ADCP 代表流速0.10～1.61m/s。实测断面平均流速0.10～1.70m/s。

3 结语

通过对川东港闸水文站测验数据的率定分析，该站H-ADCP 代表流速和断面平均流速三项检验的参数指标均符合《水文资料整编规范》（SL247-2012）精度要求，且指标流速和断面平均流速关系成单一关系，具有较高的代表性。建议在批复应用过程中，加强应用范围内的流量校测和特殊极值水情条件下的比测率定工作，在修正流速关系线的同时，进一步延长应用范围，以更高精度保障川东港闸水文站的流量测验工作