林鎮(zhèn)水文站電波流速儀系數(shù)分析

王敬爭

（安徽省六安水文水資源局,安徽 六安 237000）

1 基本情況

林鎮(zhèn)水文站位于淮河水系西汲河控制站,地處安徽省六安市裕安區(qū)固鎮(zhèn)鎮(zhèn),控制流域面積864 km2,系安徽省防汛專用站, 2015 年設(shè)站。該站流量測驗(yàn)利用固鎮(zhèn)大橋進(jìn)行橋測,電波流速儀測流斷面位于固鎮(zhèn)大橋上游側(cè),固定垂線（垂線位置在橋上做標(biāo)記）施測流量。走航式ADCP 測驗(yàn)斷面位于大橋下游側(cè),在橋上拖拽ADCP 渡河施測流量。該站測驗(yàn)河段較為順直,河槽為單一式河床,中低水水面寬在50 m～70 m,高水時(shí)水面寬達(dá)110 m；主流位于起點(diǎn)距40 m～60 m 之間。該站自建站以來實(shí)測最高水位27.83 m,實(shí)測最大流量715 m3/s（相應(yīng)水位27.44 m）。

按照電波流速儀和走航式ADCP 的技術(shù)參數(shù)和使用要求,在該站測驗(yàn)河段進(jìn)行手持式電波流速儀和走航式ADCP 比測分析滿足要求。手持式電波流速儀采用美國ACI 公司生產(chǎn)的Stalker ⅡSVR（斯德克電波流速儀）,主要技術(shù)指標(biāo)：架設(shè)高度≤100 m（距水面垂直高度）,測速范圍0.20 m/s～18.0 m/s,可用于高水期間測量水面流速,順逆流速均可實(shí)測；走航式ADCP 采用美國TRDI 公司生產(chǎn)的RiverRay ADCP（瑞智）,該儀器于投產(chǎn)之前已做適應(yīng)性比測分析,成果合格。兩種儀器均滿足電波流速儀系數(shù)率定的測驗(yàn)要求。

2 比測情況

測驗(yàn)河段的選擇、儀器設(shè)備的操作使用以及測驗(yàn)方法均按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）執(zhí)行。施測期間電波流速儀在大橋上游側(cè)固定垂線位置按照俯角小于45°迎水施測水面流速,大斷面采用當(dāng)年實(shí)測值,流量計(jì)算時(shí)流速按照實(shí)測數(shù)值不加改正系數(shù)求得虛流量值。走航式ADCP測驗(yàn)斷面位于大橋下游側(cè),人工拖拽渡河,流量采用實(shí)測數(shù)值。施測流量使用的大橋?qū)? m,兩種方法施測位置較近,且期間無外水加入,故系統(tǒng)誤差可以忽略。

3 比測資料的選用

2020 年該站河段發(fā)生建站以來最大洪水,因而選用該年份的實(shí)測資料能夠控制斷面的水位變幅,同時(shí)考慮到電波流速儀的使用范圍,因而選用2020 年水位在21.00 m 以上平均流速大于0.5 m/s 的實(shí)測資料進(jìn)行分析。水位變幅由21.28 m～27.44 m,變幅6.16 m,流量由87.5 m3/s～905 m3/s。林鎮(zhèn)站實(shí)測流量成果表見表1。

表1 林鎮(zhèn)站實(shí)測流量表

4 分析方法

為了保證分析成果的準(zhǔn)確性和通用性,在分析樣本中選用走航式ADCP 測法系列和電波流速儀測法系列分別定出水位流量關(guān)系線,并進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)合格后以走航式ADCP 測法對應(yīng)的實(shí)測水位分別在對應(yīng)的水位流量關(guān)系線上查讀對應(yīng)的流量,以各相關(guān)流量點(diǎn)據(jù)建立線性回歸方程計(jì)算兩系列的線性相關(guān)系數(shù),率定電波流速儀的系數(shù)[1]。

5 系數(shù)率定

5.1 水位流量關(guān)系線

分別用走航式ADCP 測法系列和電波流速儀測法系列在同一坐標(biāo)下定出水位流量關(guān)系線,并進(jìn)行檢驗(yàn)（電波流速儀測法測次數(shù)為5 次,按規(guī)范規(guī)定不進(jìn)行檢驗(yàn)）,見表2。

表2 林鎮(zhèn)站走航式ADCP 測法水位流量關(guān)系線檢驗(yàn)表

由表2 可知走航式ADCP 測法所定的水位流量關(guān)系各項(xiàng)檢驗(yàn)合格,可用以推流。

5.2 線性回歸分析

在日常生產(chǎn)中,電波流速儀所測的計(jì)算有兩種計(jì)算方法,一是以電波流速儀測得的虛流量乘以流量系數(shù)所得；另一種是以電波流速以所測的各垂線的虛流量分別乘以流速系數(shù)所得。本文對于兩種計(jì)算方法分別予以分析[2]。

5.2.1 以查得流量進(jìn)行線性回歸分析

查讀各測次水位在水位流量關(guān)系線上對應(yīng)的流量值,以走航式ADCP 流量線上查讀的流量數(shù)值作為橫坐標(biāo),電波流速儀流量線上查讀的流量數(shù)值作為縱坐標(biāo)點(diǎn)繪各點(diǎn)據(jù),然后進(jìn)行回歸分析,得出電波流速儀流量系數(shù)。

通過建立相關(guān)關(guān)系,經(jīng)線性回歸分析得出理論方程：y=0.7888 x（y 為走航式ADCP 線性理論流量值,x 為電波流速儀實(shí)測流量值）,用該方程對電波流速儀實(shí)測的虛流量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)即為走航式ADCP 線性理論流量值,相關(guān)系數(shù)R2=0.9957,見圖1。相關(guān)系數(shù)R2=0.9957＞0.8,說明走航式ADCP 所測流量與電波流速儀測得流量相關(guān)度密切。電波流速儀流量系數(shù)為0.79。

圖1 ADCP 測法與電波流速儀測法流量相關(guān)關(guān)系圖

5.2.2 以查得平均流速進(jìn)行線性回歸分析

查讀各測次水位在水位流量關(guān)系線上對應(yīng)的流量值除以對應(yīng)面積最為測次平均流速,以走航式ADCP 流量線上查讀計(jì)算的平均流速作為橫坐標(biāo),電波流速儀流量線上查讀計(jì)算的平均流速作為縱坐標(biāo)點(diǎn)繪各點(diǎn)據(jù),查讀數(shù)據(jù)見表3,然后進(jìn)行回歸分析,得出電波流速儀流速系數(shù)。

通過建立相關(guān)關(guān)系,經(jīng)線性回歸分析得出理論方程：y=0.7768 x（y 為走航式ADCP 線性理論平均流速值；x 為電波流速儀實(shí)測平均流速值）,用該方程對電波流速儀實(shí)測的虛流速數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)即為走航式ADCP 線性理論流量值,相關(guān)系數(shù)R2=0.9561,見圖2。相關(guān)系數(shù)R2=0.9561＞0.8,說明走航式ADCP 所測流量與電波流速儀測得流量相關(guān)度密切。電波流速儀流速系數(shù)為0.78。

圖2 ADCP 測法與電波流速儀測法平均流速相關(guān)關(guān)系圖

6 合理性檢查

（1）用流量系數(shù)0.79 對電波流速儀測得的虛流量進(jìn)行換算所得的流量系列相對誤差為1.8%,標(biāo)準(zhǔn)差為3.7%,隨機(jī)不確定度為7.4%,系統(tǒng)誤差為1.8%,滿足要求。

（2）用流速系數(shù)0.78 對電波流速儀測得的虛流速進(jìn)行轉(zhuǎn)換所得的流速系列相對誤差為0.46%,標(biāo)準(zhǔn)差為2.9%,隨機(jī)不確定度為5.8%,系統(tǒng)誤差為0.4%,滿足要求。

7 結(jié)語

通過系數(shù)率定分析可以得出電波流速儀與走航式ADCP所測流量相關(guān)關(guān)系的回歸方程為,呈線性關(guān)系,可直接用此方程推求電波流速儀所測的流量；電波流速儀與走航式ADCP 所測流速相關(guān)關(guān)系的回歸方程為,呈線性關(guān)系,可用此方程推求電波流速儀所測的垂線平均流速。可以解決手持式電波流速儀在林鎮(zhèn)水文站21.00 m 以上水位級系數(shù)計(jì)算的問題,提高測驗(yàn)精度,為防洪搶險(xiǎn)贏得寶貴時(shí)間。