宜昌站H-ADCP流量關系率定及應用

2019-03-08 09:56:20，，，

水利水電快報 2019年2期

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(長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

1 研究背景

宜昌站位于長江中游干流，自建站以來斷面水位流量關系主要以繩套線性和單一線性為主。多年來，河段上游相繼建成葛洲壩和三峽水利樞紐，樞紐調度對水沙調節影響較大，增加了把握外業觀測時機的難度、測驗成本和勞動強度。受三峽、葛洲壩水利樞紐工程(以下簡稱“兩壩”)聯合調度影響，宜昌站水位流量關系曲線局部變形或扭曲更加頻繁，具體表現為：受水庫蓄放水而產生的附加比降影響，水庫放水時，水位上漲，流速增大，流量也增大；蓄水時，則完全相反。水位流量關系線表現為漲水點偏右，落水點偏左，峰、谷點居中。如果不間斷連時序測驗流量，水位流量關系表現為連續繩套，對流量測驗時機的把握和數據代表性等要求更高。

目前，宜昌站采用連時序法定線，單一線與繩套曲線相結合，部分時間段在單一線上推流，其他時間段按照繩套曲線推流。宜昌站常規流量測驗方式有2種：走航式ADCP和普通流速儀測流，以走航式ADCP測流為主。采用普通流速儀測流時測驗時間一般為120 min；采用走航式ADCP施測時，時間一般為15～30 min。近年來，每年測流80～100次仍然難以較好控制水位流量關系。為了早日實現流量自動化測量，有必要對H-ADCP流量關系進行率定，充分發揮儀器效益。

2 測驗資料情況

2016年宜昌站引進了CM300型H-ADCP進行試驗分析。H-ADCP監測平臺設置在流量斷面左岸，儀器安置在高程39.20 m處。經過現場調整，儀器表面水平指向對岸，且與水流方向垂直[1-2]。H-ADCP可測量水平層面多單元流速，最多可達128個單元，水平測量范圍最寬可達200 m。內置溫度傳感器縱、橫搖角度傾斜計、超聲波水位計、ADCP換能器等多種傳感器，可同時自動監測流速、流量、水位、水溫等水文要素[3-4]。目前，H-ADCP的工作方式是連續測量，每15 s儲存一個原始數據。通過有線電纜連接到現場計算機，再通過微波對接轉換成網絡信號，傳輸到辦公室計算機，是集采集、存儲、傳輸功能的在線流量監測系統。

2017年2月15日開始正式收集資料。由于H-ADCP儀器安置在固定高程39.20 m處，當水位接近40.00 m左右時，H-ADCP距離水面距較短，探頭發射信號存在一定角度，水平測量范圍較小，在枯季經常出現數據異常。因此，僅分析3～10月資料，其他月份需要調整儀器高度后，重新收集資料分析。截至2018年6月，共收集了11個月數據。

根據2017年收集的3～10月數據資料，建立指標流速與斷面平均流速線性回歸模型，并結合水位和河底高程求得斷面流量。對于2018年H-ADCP測得的指標流速，用根據2017年數據建立的線性關系推流，與常規測驗方法推求流量比較，檢驗模型的合理性。

3 模型求解

H-ADCP是基于所測指標流速與常規測流法實測斷面平均流速建立相關關系，通過指標流速推求斷面平均流速，再用斷面平均流速與斷面面積求得斷面流量：

Q=V斷A

(1)

式中，V斷為斷面平均流速，m/s；A為斷面面積，m2；Q為斷面流量，m3/s。

其中，斷面面積是水位的函數：

A=f(Z)

(2)

式中，Z為斷面水位，m。

根據斷面水位結合最新實測大斷面數據，推算斷面面積，見圖1。比較宜昌站2014～2017年斷面可發現，近幾年斷面略有沖淤變化，基本穩定，見圖2。

圖1 水位-面積關系

圖2 2014～2017年斷面沖淤變化

由圖1推求水位與斷面的關系式為

A=742.44Z-21 976

(3)

斷面平均流速可表示為某一指標流速的函數

V斷=f(Vi)

(4)

根據美國地質調查局(USGS)提出指標流速與斷面平均流速關系，H-ADCP關系推薦方程通常為線性回歸方程：

V斷=B0+(B1+B2)Vi

(5)

式中：Vi為指標流速，m/s；B0、B1、B2均為回歸系數。

宜昌站H-ADCP測量時的參數設置：沿水平方向，每一深度單元尺寸為3 m，深度單元個數為50個，空白距離為2 m，第一層深度單元中心距H-ADCP換能器3.5 m，即可測量的寬度范圍為離儀器3.50～153.5 m，共150 m。

2017年3～10月H-ADCP收集資料期間，宜昌站開展常流量測驗60次，其中流速儀測流5次，ADCP測流55次，測得最小流量為6 740 m3/s，最大流量為30 700 m3/s。

在測流對應時段內，取不同單元層組合(距儀器探頭不同距離的水深組合)1-5、1-10、2-4等，例如1-5單元組合指的是3.50～15.5 m水平層范圍內的指標流速。通過分析不同距離、長度的單元組合形式，與60次常規測驗的斷面平均流速分別建立如圖3所示線性關系，從中選擇關系最好的組合。不同單元組合方式建立的線性關系回歸系數見表1。

圖3 1-5單元組合指標流速與斷面流速關系

不同組合方案指標流速-斷面平均流速公式相關系數1-5單元V斷=1.163 Vi +0.6450.8951-10單元V斷=1.034 Vi +0.7040.8521-15單元V斷=0.919 Vi +0.7580.8321-30單元V斷=0.727 Vi +0.9460.7491-40單元V斷=0.682 Vi+1.0110.6952-4單元V斷=1.177 Vi +0.6050.9042-7單元V斷=1.085 Vi +0.6680.8632-9單元V斷=1.035 Vi +0.6940.8482-30單元V斷=0.714 Vi +0.9530.7422-40單元V斷=0.672 Vi +1.0170.6892-45單元V斷=0.673 Vi +1.0370.665

表2 不同組合方式計算流量與連時序整編流量相對誤差統計

擬合利用相關性較好的2-4、2-7、2-9、1-10、1-5單元組合的指標流速分別推算斷面平均流速，再用水位計算出斷面面積得到全年的流量數據。通過南方片2.0，采用連實測流量過程線法對這5種單元組合方式分別進行整編，得出的月平均流量數據與宜昌站常規測驗計算的月平均流量數據進行比較，見表2。

從表1、2 可以發現，1-5單元組合相關性系數較高，整編計算的月平均流量相對誤差較小。選擇1-5單元組合指標流速與斷面流速建立線性圖(見圖3)。對1-5組合指標流速與斷面流速建立的關系進行檢驗，系統誤差為-0.24%，由于存在單次相對誤差過大的情況，其相對不確定度為15.2%。對圖3的關系線分別進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗(見表3)，精度符合《水文資料整編規范》有關要求。