基于VB的H-ADCP率定程序的研發與應用

盛龍壽，席澤超，朱龍喜，姚華，秦建國，嚴維寧

（江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇無錫，214031）

0 引言

流量測驗是水文監測的重要任務之一，隨著水利現代化建設的不斷推進，傳統的測流方式已無法完全滿足水利信息化的要求，更多的新技術、新設備被引進，水平聲學多普勒剖面流速儀（H-ADCP）應用最為廣泛，它利用多普勒效應原理進行流速測量，通過測量斷面部分單元流速進而推算出斷面流量。H-ADCP代表流速與實測斷面平均流速關系的率定精度，決定了H-ADCP自動化測流的精度。目前，H-ADCP代表流速的單元區間選擇仍采用人工方式，存在一定的誤差，如何最優化的自動率定H-ADCP代表流速與實測斷面平均流速的關系問題還有待進一步研究解決。通過運用VB6.0編程對存儲在Excel表內的H-ADCP單元流速和實測斷面平均流速數據進行統計分析，可以實現代表流速單元區間和流速系數的自動最優化選擇。

1 H-ADCP測流基本原理

聲學多普勒剖面流速儀ADCP分為走航式與定點式兩類，定點式ADCP又分為橫向測流和垂向測流兩種，其中橫向測流的水平聲學多普勒剖面流速儀（H-ADCP）具有安裝調試和維護比較方便，能測驗斷面一個區域一層連續的多個測點（單元）流速的特點，應用最為廣泛[1]。H-ADCP利用多普勒效應原理以測到的水體中移動的顆粒物速度作為水流速度，可根據部分單元區間代表流速和實測斷面平均流速率定流速系數，通過H-ADCP部分單元流速和率定出的流速系數推算出斷面流量[2]。

2 程序設計思路

假設H-ADCP比測了n次，測流斷面共劃分了m個單元，H-ADCP率定的實質就是需要找出與實測斷面平均流速關系最好的單元流速區間。設計思路如下：

需要率定的假設單元流速區間共有m+0.5·m·(m-1)種單元區間組合：

第1列、第1-2列、第1-3列……第1-（m-1）列、第m列

第2列、第2-3列……第2-（m-1）列、第2-m列

第 3列……第3-（m-1）列、第 3-m列

………. ……

………. ……

第（n-1）-(m-1)列第(n-1)-m列

第n-m列

單元流速區間的平均流速與實測斷面平均流速的關系為：

式中：Vm為實測斷面平均流速，m/s；

Vcp為H-ADCP單元流速,m/s。

流速系數K值的取值范圍一般在0.80～1.20之間，實際上不會出現超出這個范圍的數值[3]。

可以假設k值分別為0.80、0.81、0.83…..1.19、1.20，根據假設的單元區間流速平均值推算出斷面平均流速，進而計算出標準差Se。根據水文資料整編規范（SL 247-2012）[4],標準差可按下式計算：

式中：Se為實測點標準差，%；

pdi為第i實測斷面平均流速,m/s；

pci為第i推算的斷面平均流速,m/s。

最后是挑選最小的標準差及對應的K值和單元區間范圍。

上述步驟不可能用人工計算方法實現，可通過計算機編程加以解決。

3 功能實現

3.1 編制EXCEL工作表

Excel是目前常用的辦公軟件之一，很多工程試驗數據以Excel電子表格的文件存儲。要從這些表格里得到可靠的計算結果，必須借助計算機程序軟件來自動處理繁瑣的數據[5]。Excel工作表的數據必須包含單元流速、實測斷面平均流速數據。單元流速數據可根據H-ADCP自動測流記錄挑選，實測斷面平均流速數據一般根據H-ADCP使用單位實測流量資料統計。示例樣表見表1，表中第四列至倒數第二列為單元流速，最后一列為比測得到的斷面平均流速。在選擇單元流速時，剔除靠近H-ADCP處的部分單元流速和對岸的部分單元流速，原因是岸邊一般有回水倒流現象，流速不太穩定，由于ADCP有波速寬角，離儀器較遠處的流速測驗誤差較大，對岸岸邊部分流速測驗誤差較大。某些測次如受航運船只影響，流速分布有突變現象，也應人工剔除。某些測次采用不同的測流方式，會存在一定的系統誤差，也應注意甄別并剔除。

表1 xxx站 H-ADCP單元流速數據

2021-08-01 10:33 4 4.02 0.04 0.08 0.10 ……0.07 0.06 0.05 0.11… … … … … … …… … … … …… … … … … … …… … … … …… … … … … … …… … … … …2021-09-23 13:07 4 4.02 0.04 0.08 0.10 ……0.07 0.06 0.05 0.11 2021-09-30 12:30 4 4.09 0.10 0.11 0.11 ……0.07 0.04 0.03 0.12 2021-10-07 11:53 4 4.04 0.21 0.22 0.23 ……0.17 0.15 0.16 0.26

3.2 Vb編程

3.2.1 程序流程

圖1 設計思路及程序流程圖

3.2.2 Vb讀取Excel數據

VB6.0提供的ActiveX自動化技術，能使VB訪問或控制Excel,實現對其表格內數據進行處理。首先需要添加引用microsoft excel 11.0 object library，編制好啟動頁面表單。采用四重循環語句計算各單元區間平均流速，平均流速采用算數平均法計算。然后采用假設的流速系數計算推流誤差，假設流速系數范圍為0.50～1.50。再采用水文資料整編規范的公式計算標準差，最后選擇最小標準差及相應的單元流速區間范圍和流速系數。具體程序語句從略。

4 計算實例

某站根據表2用程序最優化選擇了單元區間范圍，率定出了H-ADCP代表流速與斷面平均流速的系數，代表流速與斷面平均流速率定成果通過符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗，符合國家水文資料整編規范。率定成果圖見圖2，關系曲線檢驗表見表2。

圖2 xxx站H-ADCP代表流速與斷面平均流速率定成果圖

表2 xxx站H-ADCP代表流速～斷面平均流速關系曲線檢驗計算表

適線檢驗： U=-1.44 免檢偏離數值檢驗： |t|=0.43 允許：1.67(顯著性水平 a=0.10) 合格標準差： Se(%)=5.1 隨機不確定度(%)：10.2系統誤差(%)：-0.4說明：

5 結論

利用VB的ActiveX自動化技術開發的H-ADCP率定程序，其設計思路清晰，程序語言簡明，用戶界面友好，操作簡單，在國內首次解決了目前H-ADCP率定時單元代表流速區間選擇過程中的人為誤差問題，提高了率定精度，符合精細化管理的要求，具有重要的推廣應用價值。