官良水文站水平式ADCP的流速率定分析

麥梓泳

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526000)

在水利行業高速發展的背景下，“數字江河”、“智慧水文”已是水文發展的必然趨勢。水文測驗對流量測驗的自動化、信息化要求也相應提高，水平式ADCP是中國當前最常用的流量自動化監測儀器，具有操作簡便、快速高效、穩定可靠等優點，可以在線實時監測河流斷面的流速流量過程。傳統的水文纜道測流工作量大[2]，效率低，危險性高，難于滿足防汛減災時效性要求。為徹底解決流量測驗存在的問題，官良水文站2021年引進一套YD600型水平式ADCP，有助于增強水文測報能力和水文信息服務能力。

1 測站概況

1.1 基本情況

官良水文站于1958年5月郁南縣河口鎮官良村建立，位于羅定江下游，是羅定江的控制站，斷面以上集雨面積為3 164 km2，至河口距離為66 km。該站為搜集水文資料、水文情報預報而設，是國家二類精度水文站，屬于國家重要水文站，擔負著水位、流量、降水量、蒸發量、泥沙和水質測驗任務[3]。

1.2 水文特性[4]

官良水文站測驗河段順直，長約600 m,兩岸為紅土丘陵，有果林與耕地。測驗河段左岸上、下游設有6條70 m長(高程為24.5～25.0 m)的堆石丁字壩，上游1 km有圍底河于右岸匯入，4 km有千官水于左岸匯入，5 km有大灣鎮獅山高低水發電站；下游600 m有急灣，5 km有佛子壩滾水電站。本站枯水期會出現沙灘、串溝或死水，水位流量關系較為復雜，受上下游電站蓄放水調節影響；中高水水位流量關系為單一曲線或繩套曲線，主要受沖淤變化和洪水漲落率影響。本站歷年單斷沙為直線關系，關系系數為0.980 0～1.004 0，常年1—3月，11—12月輸沙量小于多年平均輸沙量的3.0%，可以停測單沙，含沙量作零處理，其余時段按沙量變化測驗，由單沙推求斷沙。主要水文特征值見表1。

表1 官良水文站主要水文特征值

2 水平式ADCP的應用

2.1 ADCP原理

ADCP是利用聲學多普勒效應測流速[5]，通過儀器的換能器向流體中發射一定頻率的超聲波短脈沖，再測量隨水體運動的懸浮粒子反射回的聲波，因發射和反射的多普勒頻移與流速密切相關，進而測得多普勒頻移可推算出被測流體的流速(即是指標流速)。假設水體中的懸浮粒子與水體流速相同，當懸浮粒子的移動方向是接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發射頻率強；當懸浮粒子的移動方向是背離換能器時，換能器接收到的回波頻率比發射頻率弱，發射頻率與回波頻率存在差值[6]，差值確定為：

式中：

Fd——聲學多普勒頻移，kHz；

Fa——回波頻率，kHz；

V——懸浮粒子沿聲豎方向的移動速度，m/s；

C——聲波在水體中的傳播速度，m/s。

2.2 水平式ADCP安裝及參數指標[7]

2.2.1安裝位置

基于河流特性、儀器性能和安裝的目的要求，水平式ADCP安裝在基本測流斷面上游10 m，離右岸斷面零樁190 m處 。基本測流斷面較穩定，尤其是左岸部分，沖淤變化小，且水平式ADCP安裝斷面距離基本測流斷面較近，經兩斷面實測資料對比，形狀和高程基本一致，所以在率定過程中，水平式ADCP采用基本測流斷面參與分析。官良水文站歷年大斷面見圖1所示。

圖1 官良水文站歷年大斷面示意

2.2.2儀器參數

通過儀器試安裝調試的回波強度變化(見圖2)分析，信號強度隨著距離增加逐漸衰減，過程線順滑，波動較小，基本消除了紊流等因素影響，說明水平式ADCP發射的聲波在該范圍內傳播過程中沒有打出水面或碰到障礙物，符合聲波在水中傳播的一般規律。

圖2 官良站ADCP回波分析示意

根據實際需要，對ADCP系統軟件的主要參數進行設置：代表流速采樣在1～40個單元格范圍內選取，采樣歷時為180 s，采樣間隔為300 s，盲區為2.0 m。洪水期間，流速較大，受水流沖擊，探頭縱搖(以Y為軸旋轉)為-1.0°～0.2°橫搖(以X為軸旋轉)為-0.5°～1.0°。

3 水平式ADCP率定分析

3.1 比測率定及誤差分析

比測[7]是流速儀法所測得的斷面平均流速V平均(簡稱平均流速)與水平式ADCP所測得的指標流速V指標進行對比,詳細情況見表2。比測率定分析資料的時間段為2021年7月20日～2021年12月2日，共收集了37份率定分析資料，滿足《河流流量測驗規范》[8]中不少于30個數據點的要求。實測流量變幅為14.6～1 340 m3/s，流速變幅為0.063～1.43 m/s，水位變幅24.82～29.71 m。

表2 流速儀法與水平式ADCP法流速對比

圖4 官良站水平式ADCP指標流速與斷面平均流速關系示意

檢驗回歸關系的顯著性方法通常有4種：隨機不確定度檢驗、符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗。檢驗結果不滿足《水文資料整編規范》(SL24/T247—2020)中的隨機不確定度檢驗要求[11]。經過數據檢查分析，發現低水期上游大灣鎮獅山電站蓄水發電調節會導致低水測點相對誤差較大。進而舍去這部分測點再進行回歸關系檢驗，檢驗情況見表3。

表3 斷面平均流速與指標流速關系曲線檢驗

結果：上述3種方法對水位流量關系曲線的檢驗，均達到規范要求，認為定線正確。

3.2 流量精度對比分析

2021年屬于偏枯年份，摘取本年水位變幅大且有完整洪水過程的洪水期和具有代表性的平水期進行日平均流量對照分析，平水期時間段選取為2021年8月24日至2021年9月14日，洪水期時間段選取為2021年10月9日至2021年10月18日。其中，平水期的日平均水位為24.98 m，水平式ADCP所測的流量比流速儀所測的流量偏大，絕對誤差平均值為-2.1 m3/s，相對誤差平均為-6.2%；洪水期的日平均水位為26.09 m，絕對誤差平均值為14 m3/s，相對誤差平均為4.4%。

由圖5、圖6可知，水平式ADCP與常規推流的逐日平均流量與水位過程線峰谷相互呼應，漲幅趨勢一致，充分呈現兩組流量變化過程與水位過程線性相似，說明V指標～V平均相關關系良好，具有連續性和代表性。

圖5 平水期日平均水位流量過程線示意

圖6 洪水期日平均水位流量過程線示意

4 結語