陳健健，凌 飛

（長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011）

1 概況

南京水文實驗站所處南京河段屬于長江下游感潮河段，每年的5—10月是主汛期，11月至次年4月為枯季，由于受感潮影響，枯季斷面出現(xiàn)負(fù)流，自左岸起影響通量。水位每日兩漲兩落，呈非正規(guī)半日潮型，漲潮歷時3個多小時，落潮歷時8個多小時，水位年內(nèi)變幅較大。

南京水文實驗站在線測流系統(tǒng)自動監(jiān)測設(shè)備采用水平式ADCP和定點ADCP相結(jié)合的方式，共設(shè)立三大指標(biāo)流速擬合斷面平均流速，借用大斷面計算斷面面積進(jìn)而推求通量。

2 指標(biāo)流速的選擇原理

指標(biāo)流速的選擇涉及到一個重要的假設(shè)，假設(shè)相對穩(wěn)定的過水?dāng)嗝婺骋淮咕€的垂線平均流速與斷面平均流速之間存在如下關(guān)系：

式中：Vm——某一垂線平均流速；——斷面平均流速；k——相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)有關(guān)水力學(xué)公式推導(dǎo)可得以下流速計算公式。

對全斷面有：

對垂線平均流速有：

式中：β——萬能形狀參數(shù)；——糙率；R——水力半徑；——斷面平均水深；hm——垂線水深；I——水力坡度。

將（2）、（3）式代入（1）式，即得：

在一般情況下，對于寬淺河流過水?dāng)嗝娴闹禐橐怀?shù)，如果在流量漲落過程中，可找到一條垂線，其在漲落變化過程中保持不變，則k值保持不變，于是該垂線平均流速與相應(yīng)的斷面平均流速間存在有相對穩(wěn)定的線性關(guān)系，即：

式中：k為常數(shù)。符合上述條件的垂線便是我們所要尋找的斷面平均流速代表線。通過上述論證，假設(shè)具備合理性，若能通過試錯法尋找到該條代表線，且自變量與因變量間的相關(guān)性較好，則該假設(shè)成立。

同時，根據(jù)水平式ADCP在感潮河段的適用性研究[3]表明斷面平均流速與水平平均流速之間存在函數(shù)關(guān)系。綜合以上，可認(rèn)為垂線平均流速和水平平均流速是推求斷面平均流速的兩個重要影響因子。研究多個自變量與某一因變量之間的函數(shù)關(guān)系時，多元統(tǒng)計回歸模型是較為常用的數(shù)學(xué)方法。因而，可將一段時期內(nèi)實際測量得到的斷面平均流速、指標(biāo)流速（包括垂線平均流速和水平平均流速）帶入統(tǒng)計模型并進(jìn)行求解，達(dá)到通過指標(biāo)流速推求斷面平均流速的目的。

3 指標(biāo)流速的位置選擇

3.1 定點ADCP的安放位置

根據(jù)南京水文實驗站2005年全年實測落潮期穩(wěn)定時段流量測驗資料分析，對第4，5，6和9四條垂線的垂線平均流速與斷面平均流速進(jìn)行回歸分析。在進(jìn)行回歸分析時考慮到當(dāng)垂線平均流速為零，斷面平均流速不為零的實際情況，排除相關(guān)關(guān)系線通過坐標(biāo)原點的情況。

圖1 第4垂線與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系

圖2 第5盤線平均流速與斷面平均流速相關(guān)圖

圖3 第6盤線平均流速與斷面平均流速相關(guān)圖

圖4 第9垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)圖

從圖1～圖4可以看出，如果用第4，5，6，9四條垂線的垂線平均流速，單獨與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)性都較好，但關(guān)系點偏離散，相對而言，第6條垂線的相關(guān)系數(shù)最好。此外考慮到主航道的通行要求，浮標(biāo)船最終選定于新流速儀測流斷面第6條垂線上游約90 m處。

3.2 水平式ADCP的安放位置

根據(jù)2009年實測資料，在流速儀測流斷面上提取與鋼管樁相對應(yīng)位置往江中心300 m范圍內(nèi)的分層流速平均值（標(biāo)示為：Vi，i=1，2，3，4，5），作為水平式ADCP的模擬數(shù)據(jù)，分別計算出水下2.0，2.5，3.0，3.5和4.0 m水平層的平均流速，用這些水平平均流速與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果見表1。表中為決定系數(shù)，該值愈大，表明曲線擬合程度愈高，相關(guān)關(guān)系越好。

表1 各水平平均流速與斷面平均流速相關(guān)系數(shù)比較

由表1可見，均大于0.96，表明各水平平均流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系均較好，水下2.5～4.0 m各層水平平均流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系相差不大，自變量和因變量之間近似于線性關(guān)系。點繪不同水層平均流速與斷面平均流速關(guān)系圖后，水下3.0 m層點群關(guān)系更趨于集中，且考慮到入水深度及安全性，綜合判斷后選取水下3.0 m左右水層來安置水平式ADCP探頭。

4 指標(biāo)流速的多元線性回歸分析

根據(jù)第三章的假設(shè)和推論，全潮水文測驗ADCP走航式所測斷面平均流速，可視為水平式ADCP和定點ADCP兩大指標(biāo)流速的函數(shù)，而線性關(guān)系則是體現(xiàn)多指標(biāo)間相互關(guān)系的最基本函數(shù)。因此，可通過多元線性回歸分析揭示水平式ADCP和定點ADCP兩大指標(biāo)流速，與全潮水文測驗AD?CP走航式所測斷面平均流速之間的線性關(guān)系。斷面平均流速V可認(rèn)為是垂線平均流速Vf和水平平均流速Vh的線性函數(shù)，如下式所示：

利用已有監(jiān)測時段內(nèi)實測的斷面平均流速、垂線平均流速和水平平均流速，建立計算斷面平均流速的多元線性回歸模型。模型具有較好的有效性、精確性和穩(wěn)定性，其擬合結(jié)果復(fù)相關(guān)系數(shù)R＞0.99。

5 結(jié)論

感潮河段的水流特性是流量以單向徑流為主，受潮汐上溯影響，水位則明顯受潮汐影響，水位、流量呈波浪型變化。一直以來感潮河段的流量推求都處在摸索階段，流量觀測項目只能提供實測成果，資料無法整編，這在很大程度上制約了水文觀測的功效和作用。南京水文實驗站在線測流系統(tǒng)通過水平式ADCP和定點ADCP兩種自動監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合的方式，建立了兩大指標(biāo)流速擬合斷面平均流速的多元線性回歸模型，模型具有較高的穩(wěn)定性、可靠性、延續(xù)性，使感潮河段流量的實時報汛和整編成為可能，滿足了長江下游防洪減災(zāi)，水資源優(yōu)化配置的需求，填補了長江感潮河段流量測驗系列資料空白的需要。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］韋立新，蔣建平，曹貫中.基于ADCP實時指標(biāo)流速的感潮段斷面流量計算［J］.人民長江，2016，47（1）：27-30.

［2］朱巧云，高健，劉桂平等.長江河口段徐六涇水文站潮流量整編代表線法研究［J］.水文，2008，28（4）：61-64．

［3］任海鷹，白曉波.水平式ADCP在感潮河段的適用性初探［J］.水資源研究，2003（3）：33-34．

［4］趙振興，何建京.水力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.（ZHAO Zhen-xing，HE Jian-jing.Hydraulics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2005.（in Chinese））.

［5］黃振平.水文統(tǒng)計學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2003．［6］李世鎮(zhèn)，林傳真.水文測驗學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，1993．