張 娜，王 進(jìn)，蔣 波

（長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400014）

0 引言

三堆子站地處金沙江下段干熱河谷地帶，集水面積288571 km2?？刂蒲诺a江匯入金沙江后的水情。三堆子站河道比較順直，經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的測(cè)量，水位流量關(guān)系呈單一線。H-ADCP是用于河流或明渠流速、流量在線監(jiān)測(cè)的聲學(xué)多普勒儀器，是當(dāng)前在我國(guó)逐漸興起的一種新型測(cè)流儀器，憑借其操作方便、快速高效、穩(wěn)定可靠等多方面優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前水文測(cè)驗(yàn)方式方法更新的重要手段。H-ADCP通過(guò)測(cè)量代表流層的流速，進(jìn)而推算得到斷面流量，簡(jiǎn)便易于操作，可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流斷面的流速流量過(guò)程，適合在水流條件變化急劇復(fù)雜或受水利工程影響的水文站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。三堆子站H-ADCP儀器安裝方案經(jīng)過(guò)比較分析，選擇在基本水尺斷面(兼測(cè)流斷面)的左岸。于2007年1月采用垂直混泥土結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)支架安裝，該儀器位置在斷面的起點(diǎn)距36.7 m處，儀器的垂直波束的高程為976.90 m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，儀器表面水平指向?qū)Π叮遗c水流方向垂直，儀器傾斜傳感器測(cè)量的縱、橫搖角度確保在1°以內(nèi)[1，2]。

H-ADCP應(yīng)用前需要進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)研究，以確定其應(yīng)用條件和方案。文中根據(jù)三堆子水文站兩年比測(cè)資料，確定H-ADCP在長(zhǎng)江上游山區(qū)性河道測(cè)驗(yàn)時(shí)相關(guān)測(cè)驗(yàn)參數(shù)，確定流量推算方案，主要是指標(biāo)流速的率定，包括指標(biāo)流速段的選取和相關(guān)關(guān)系的建立。探索H-ADCP在長(zhǎng)江上游山區(qū)性河道不同水力條件和水流特性下，特別是在不同含沙量級(jí)的測(cè)驗(yàn)適用條件和適用范圍。從而檢驗(yàn)H-ADCP在不同水沙條件運(yùn)用條件下的穩(wěn)定性和精度研究，探索H-ADCP作為一種測(cè)流的基本方法和手段的可行性，提高水文監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平，推進(jìn)水文現(xiàn)代化的進(jìn)程。

1 比測(cè)情況和方法

1.1 主要參數(shù)設(shè)置

深度單元尺寸2 m；深度單元個(gè)數(shù)128，覆蓋了大斷面相應(yīng)安裝高度的全水平層；盲區(qū)2 m；起點(diǎn)距離0.40 m；采樣間隔5 min；平均時(shí)段2 min；水體含鹽度0 ppt。

1.2 比測(cè)資料情況

從2009年4月2日至2009年8月16日、2010年6月5日至2010年7月24日，對(duì)三堆子站進(jìn)行了H-ADCP比測(cè)試驗(yàn)，在此期間，三堆子站經(jīng)歷了2009年最高洪水位漲水過(guò)程，掌握了洪水變幅范圍。率定期間流量總共變化范圍為1160～16100 m3/s，流速儀施測(cè)流速范圍為0.94～3.82 m/s，即為指標(biāo)流速法參數(shù)率定提供一定范圍的流速變幅。

在進(jìn)指標(biāo)流速分析時(shí)，在比測(cè)時(shí)段內(nèi)，采用三堆子站流速儀實(shí)測(cè)流量進(jìn)行分析，當(dāng)實(shí)測(cè)流量水位級(jí)和數(shù)據(jù)不夠時(shí)，找到需要水位的H-ADCP有采集數(shù)據(jù)的時(shí)間段，從整編后的水位流量關(guān)系中查的流量和相應(yīng)大斷面的面積得到該時(shí)段的平均流速，不影響資料分析研究的合理性和精度[3]。

1.3 流量推算原理

當(dāng)采用H-ADCP進(jìn)行在線流量監(jiān)測(cè)時(shí)，HADCP實(shí)時(shí)采集水平線上的流速分布數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)。需要選擇適當(dāng)?shù)牧髁克惴?，利用這些數(shù)據(jù)以及過(guò)水?dāng)嗝鏀?shù)據(jù)計(jì)算出流量。有兩種流量計(jì)算方法可以應(yīng)用：指標(biāo)流速法和數(shù)值法。這兩種方法是獨(dú)立的、完全不同的流量算法。常用的是指標(biāo)流速法。結(jié)合水文測(cè)站的實(shí)際，重點(diǎn)分析測(cè)站現(xiàn)流速儀施測(cè)平均流速與指標(biāo)流速法的概念關(guān)系。

1.4 指標(biāo)流速法原理

指標(biāo)流速法的基本原理是建立斷面平均流速與指標(biāo)流速（即某一實(shí)測(cè)流速）之間的相關(guān)關(guān)系（即率定曲線或回歸方程）。指標(biāo)流速實(shí)際上是河流斷面上某處的局部流速。斷面平均流速則可以認(rèn)為是河流斷面上的總體流速。因此，指標(biāo)流速法的本質(zhì)是由局部流速來(lái)推算總體流速。在實(shí)際應(yīng)用中，有3種局部流速可以用來(lái)作為指標(biāo)流速：某一點(diǎn)處的流速、某一垂線處的深度平均流速、某一水層處某一水平線段內(nèi)的線平均流速。

H-ADCP主要選取某一水層處某一水平線段內(nèi)的線平均流速作為指標(biāo)流速，需要指出的是，第三種指標(biāo)流速只要求某一水層處某一水平線段內(nèi)的線平均流速，并不要求整個(gè)河寬范圍內(nèi)的水平線平均流速[4]。

根據(jù)上述指標(biāo)流速與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，推算流量計(jì)算的基本公式為：Q=AV，式中：V為斷面平均流速；A為斷面過(guò)水面積。過(guò)水?dāng)嗝婷娣e由斷面幾何形狀和水位確定。對(duì)于某一斷面，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e僅為水位的函數(shù)：A=f（H），過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與水位的關(guān)系通常采用表格或經(jīng)驗(yàn)曲線來(lái)表示，H為水位。

1.5 指標(biāo)流速的率定

指標(biāo)流速的率定即建立指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，建立率定關(guān)系（即流速回歸函數(shù)或方程）需要兩個(gè)步驟。

第一步是流量和指標(biāo)流速采樣樣本。在采用H-ADCP進(jìn)行指標(biāo)流速采樣的同時(shí)，需用流速儀或走航式ADCP和超聲波測(cè)驗(yàn)流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)。樣本需包含不同水位、流量級(jí)的可具代表性。通過(guò)比測(cè)，得到相應(yīng)的斷面平均流速與指標(biāo)流速相應(yīng)的樣本數(shù)，其中指標(biāo)流速要求選取不同單元范圍，代表層面不同級(jí)指標(biāo)流速。

第二步是回歸分析過(guò)程。要求選擇合適的回歸方程，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)比測(cè)值進(jìn)行回歸分析，從而確定回歸系數(shù)?；貧w分析過(guò)程可以借助軟件也可通過(guò)其它幾種方程來(lái)分析。通常要求采用幾種方程不同方式進(jìn)行回歸分析，最后對(duì)回歸分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，以確定“最佳”回歸方程及指標(biāo)流速單元范圍[5][6]。

2 比測(cè)試驗(yàn)成果分析

2.1 比測(cè)試驗(yàn)特征值統(tǒng)計(jì)

率定時(shí)間為2009年4月2日至8月16日，以及2010年6月5日至7月24日；其中2009年搜集數(shù)據(jù)29600組，2010年收集數(shù)據(jù)554組；比測(cè)期水位變幅為976.12～988.99 m，2009年全年水位變幅為975.61～989.44 m；比測(cè)期流量變幅為1160～16100 m3/s，2009 年流量變幅為 870～16700 m3/s；比測(cè)期流速儀斷面平均流速變幅為0.94～3.82 m/s；比測(cè)期含沙量變幅為0.003～6.93 kg/m3，2009年含沙量變幅為 0.003～6.93 kg/m3。

2.2 指標(biāo)流速率定

2.2.1 指標(biāo)流速段的選取

根據(jù)指標(biāo)流速建立要求，根據(jù)試測(cè)的結(jié)果來(lái)看，10.40～50.40 m段的回波信號(hào)穩(wěn)定，流速紊動(dòng)較小，50.40 m以外的范圍在低水時(shí)易受過(guò)往船只的影響，結(jié)合大斷面資料，初步確定三堆子站HADCP的VSL流速的水平段按照表1的單元范圍進(jìn)行選取。

2.2.2 相應(yīng)斷面指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速計(jì)算

三堆子站指標(biāo)流速，通過(guò)H-ADCP采集的數(shù)據(jù)在相應(yīng)的流速單元內(nèi)進(jìn)行回放，找到相應(yīng)時(shí)間段直接計(jì)算該時(shí)段內(nèi)平均指標(biāo)流速得到。流速儀斷面平均流速的計(jì)算是通過(guò)實(shí)測(cè)流量直接得到，當(dāng)實(shí)測(cè)流量水位級(jí)和數(shù)據(jù)不夠時(shí)，找到需要水位的H-ADCP有采集數(shù)據(jù)的時(shí)間段，從整編后的水位流量關(guān)系中，查的流量和相應(yīng)大斷面的面積得到該時(shí)段的平均流速。

同時(shí)也存在極端的情況，如2009年08月01日 08∶24，出現(xiàn)了最大單沙 6.93 kg/m3，H-ADCP出現(xiàn)了監(jiān)測(cè)期間最大含沙量，由于含沙量過(guò)大HADCP回波線不超過(guò)30 m。

由ADCP數(shù)據(jù)及該站洪水含沙量分析，得到如下結(jié)論：即當(dāng)三堆子站含沙量達(dá)到一定程度時(shí)（含沙量為6.93 kg/m3以上），H-ADCP測(cè)量范圍受限制，在高含沙量能取得ADCP數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)過(guò)程離散，關(guān)系紊亂，故此兩時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)不參與指標(biāo)流速率定。

表1 三堆子H-ADCP流速單元選取范圍表

2.2.3 相應(yīng)斷面指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速關(guān)系分析

對(duì)三堆子水文站H-ADCP指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速建立一元線性、一元二次、指標(biāo)函數(shù)和冪函數(shù)回歸方程進(jìn)行分析。

1）一元線性回歸方程關(guān)系圖。根據(jù)指標(biāo)流速和流速儀斷面平均流速，按一元線性回歸方程建立的關(guān)系即：

式中：VSL——H-ADCP的流速不同單元段平均流速；Vs25-3——流速儀斷面平均流速。

分別率定不同方案指標(biāo)流速與流速儀斷面平均流速的關(guān)系，率定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同單元段方案一元線性回歸方程成果表

2）一元二次回歸方程方案。由于在處理各種方案的回歸方程的建立時(shí)，部分相關(guān)點(diǎn)子相對(duì)較為離散，經(jīng)過(guò)分析，采用一元二次關(guān)系建立相應(yīng)的曲線回歸方程，可以達(dá)到非常良好的擬合關(guān)系，建立相應(yīng)的一元二次回歸方程：Vs25-3＝b1b2VSL2+b3VSL。

分別率定不同方案指標(biāo)流速與流速儀斷面平均流速的關(guān)系，率定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同單元段方案一元二次回歸方程成果表

分別率定不同方案指標(biāo)流速與流速儀斷面平均流速的關(guān)系。率定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同單元段方案冪函數(shù)回歸方程成果表

2.2.4 指標(biāo)流速率定方案精度分析

在建立好各種不同方案的指標(biāo)流速回歸方程后，根據(jù)指標(biāo)流速計(jì)算斷面平均流速，與流速儀流速、進(jìn)行誤差分析統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì) Vsl(10.40-30.40），Vsl(20.40-30.40)，Vsl(20.40-40.40），Vsl(30.40-40.40），Vsl(30.40-50.40），5 種方案在 3 種流速回歸方程推算下的測(cè)流成果及指標(biāo)流速的誤差，統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表5。

表5 誤差統(tǒng)計(jì)分析表 %

2.3 指標(biāo)流速率定方案綜合分析、評(píng)定

根據(jù)上述計(jì)算、分析表明，一元線性、一元二次、冪函數(shù)3種流速回歸方程在不同方案的相關(guān)性都非常良好，尤其是在Vsl(20.40-30.40)指標(biāo)流速方案中，其一元線性、復(fù)合線性、一元二次等回歸方程中的相關(guān)系數(shù)都具有非常良好的相關(guān)性。因此在三堆子站水文站，采用H-ADCP指標(biāo)流速來(lái)代表斷面平均流速是可行的。

通過(guò)上述分析、計(jì)算及測(cè)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件綜合分析，經(jīng)過(guò)選擇比較，選擇最優(yōu)方案中應(yīng)用在三堆子站的指標(biāo)流速率定關(guān)系，見(jiàn)表6。

表6 推薦三堆子站最優(yōu)方案H-ADCP指標(biāo)流速率定關(guān)系

2.4 指標(biāo)流速流量與流速儀流量過(guò)程流量分析

采用推薦最優(yōu)Vsl(20.40-30.40)指標(biāo)流速一元二次回歸方程，計(jì)算得到相應(yīng)的流量，對(duì)比分析流量誤差關(guān)系，驗(yàn)證評(píng)定資料合理性與可靠性。見(jiàn)圖1。

圖3 流速儀與H-ADCP指標(biāo)流量過(guò)程對(duì)照?qǐng)D

由以上圖表分析可得，三堆子站的H-ADCP指標(biāo)流速代表性比較好，相應(yīng)流速儀流量與指標(biāo)流量的一元線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9996，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差1.8%。說(shuō)明三堆子站H-ADCP資料具有合理性、可靠性[7]。

3 結(jié)論與建議

1）在三堆子站水文站開(kāi)展的H-ADCP比測(cè)試驗(yàn)方法、操作、安裝及參數(shù)設(shè)置正確，收集到了豐富的基礎(chǔ)資料，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，對(duì)于該站的水文要素的變化，具有充分的代表性，可用于H-ADCP在該站的應(yīng)用研究分析。

2）采用指標(biāo)流速段相對(duì)三堆子水文站的大斷面及流速變化特性具有充分的代表性，而且上述各段的回波信號(hào)良好，與流速儀法的斷面平均流速建立的相關(guān)關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2均超過(guò)95%，因此在三堆子水文站采用H-ADCP指標(biāo)流速法測(cè)流是可行的。

3）通過(guò)精度誤差分析，相應(yīng)流量比較分析檢驗(yàn)，結(jié)合三堆子站的大斷面、H-ADCP的水平流速分布、回波信號(hào)質(zhì)量，最優(yōu)推薦該站的指標(biāo)流速率定方案為一元二次：VS25-3=-0.0648Vsl(20.40-30.40）2+1.3079Vsl(20.40-30.40）+0.4725。

4）建議三堆子水文站在流量16100 m3/s以下，采用H-ADCP指標(biāo)流速法測(cè)流，推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式、方法的創(chuàng)新。

[1]杜耀東，宋星原，王俊.H-ADCP在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2008，39（3）：57-59.

[2]王發(fā)君，黃河寧.H-ADCP流量在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)流速法定線軟件“定線通”介紹與應(yīng)用[J].水文，2007，27（4）：63-65，44.