望亭（立交）水文站H-ADCP自动测流系统率定分析

任晓东，隆 威，唐晓春，耿欣欣

（1.江苏省水文水资源勘测局苏州分局，江苏 苏州 215000；2.南京扬子水利自动化技术开发总公司，江苏 南京 210012）

1 望亭水利枢纽（立交）概况

望亭（立交）水文站（以下简称望亭站）位于望虞河望亭水利枢纽（又称望亭立交工程）上游，为太湖的主要进出湖控制站，担负着引江济太和引水排涝的重要作用。望亭站基本测流断面为规则的梯形断面，位于闸上游300m，河宽127m，测验河段基本顺直，河床稳定，河底高程一般在-1.00～-2.90m 之间，水深一般在 4.00～7.00m 之间。望亭站测流断面上游因受闸门控制，不存在单一的水位-流量关系，因此一直采用缆道流速仪法现场实测流量。2006年6月，该站引进了 CM600型H-ADCP，建设自动测流系统，自带的测流软件为THwvf 软件。H-ADCP 测速主机安装于流速仪测流断面旁，离右岸约 15.00m 处，安装高程为 1.90m（黄海高程）。H-ADCP 参数设定为：单元长度 1.00m；H-ADCP 单元数量为90个；盲区 0.50m；取H-ADCP 第 5～84单元、5min 平均流速作为指标流速，范围为断面右岸起点距 20～104m 的水层作为H-ADCP 测量指标流速的水层。分别于2007和 2011年进行了引、排水状态下的 H-ADCP 指标流速与断面平均流速的率定，取得了初步成果。

2 H-ADCP关系的率定

2.1 H-ADCP 过水面积与水位关系的率定

对望亭站的 H-ADCP 测流断面进行精确测量后得到大断面成果，再根据大断面成果计算出“水位面积关系表”，“水位面积关系表”根据断面的深度包含若干个水位节点。

将“水位面积关系表”置入现场系统监测软件后，系统监测软件采集到实时的水位后自动查找“水位面积关系表”，从而查到相应的过水面积。当实时水位在水位节点之间时，系统监测软件通过内插法计算出相应的过水面积。

2.2 H-ADCP 流速与断面流速关系的率定

为了得到流速回归方程，在进行指标流速采样的同时，需用人工船测或走航式 ADCP 测出流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据。这种同步采样需要在不同的流量或水位情况下进行。这样得到1组断面平均流速ν与指标流速νi及水位的数据。对数据进行回归分析（如采用最小二乘法），即可以得到ν与νi的关系曲线或回归方程。

建立率定关系（即流速回归函数或方程）需要以下 2个步骤：

1）现场流量和指标流速采样。在现场采用H-ADCP 进行指标流速采样的同时，需用人工船、缆道或走航式 ADCP 测验流量和断面面积（望亭站采用缆道流速仪进行流量测验），从而得到断面平均流速数据，现场同步采样需要在不同的流量或水位情况下进行，这样可得到1组断面平均流速与指标流速及水位的数据。

2）回归分析。首先选择合适的回归方程，然后通过对数据进行回归分析确定回归系数。通常情况下，回归方程的选择不是唯一的。一般可以采用几种方程进行回归分析，然后对回归分析结果进行综合评价后确定“最佳”回归方程。

由于望亭站测流断面受上游望虞河望亭水利枢纽的影响，望亭站的流速回归函数分为引和排水2种。

2.3 引排水关系率定

望亭站引水关系率定工作于 2007年实施，引水实测数据与相应时段的 H-ADCP 指标流速数据共 30组，如表1所示；排水关系率定工作于 2011年实施，当年排水实测数据与相应时段的 H-ADCP 指标流速数据共46组，如表2所示。

采用指标流速法专用软件“定线通”分别对引、排水实测数据进行回归分析，得到引、排水各种线型的流速回归方程，如表3，4所示。

适合望亭站测流软件推算断面平均流速的线型方程为一元线性、一元二次方程，通过对表3，4的2种线型的相关系数、标准差、随机不确定度、系统误差，以及对应于各回归方程的定线评估图形进行综合分析，引和排水都采用一元二次多项式为望亭站的最佳回归方程（标准差、系统误差最小）。图1，2分别为对应于一元二次多项式的引、排水定线评估图形。

表1 2007年望亭站 H-ADCP 引水率定表

表2 2011年望亭站排水 H-ADCP 率定表

3 H-ADCP 计算流量与断面实测流量比测成果误差统计

2008年望亭站引水期间施测流量24组，2012年望亭站排水期间施测流量44组，分别对引、排水所率定公式的稳定性进行了验证，表5为 2008年引水验证成果表，表6为 2012年排水验证成果表。

利用南方片水文资料整汇编程序分别对 2008年的引水数据和 2012年的排水数据进行 t（学生式）检验，引水结果如表7所示，排水结果如表8所示。

由表7，8可知，引、排水的2组样本都通过 t检验，说明引、排水所测的2组样本属于同一总体， 2007年所率定的引水公式和 2011年所定的排水公式可以继续使用。

表4 2011年望亭站“定线通”排水定线结果

图1 2007年望亭站一元二次多项式引水定线评估图

4 结语

图2 2011年望亭站一元二次多项式排水定线评估图

表5 2008年望亭站 H-ADCP 引水率定表

经过分析可知，望亭站相关关系较好，除标准差及随机不确定度略大以外，其余都能满足SL247-1999《水文资料整编规范》的要求[3]。标准差稍大的原因有以下几点：

表6 2012年望亭站 H-ADCP 排水率定表

1）测流断面位置，上游测验河段顺直长度不符合测验规范所规定的要求，达不到测流断面为河宽的 3～5倍，使测流断面方向不垂直于河道水流平均流，因此水流平均流向不稳定，出现流向偏角，产生测验误差[1]。

表7 望亭站引水流速关系曲线学生氏检验计算表

表8 望亭站排水流速关系曲线学生氏检验计算表

2）闸门开启的孔数、高度不同引起水流流态不同。

3）逆风较大时，有时产生回流，由于流速仪测法只能计算得到正或负的流速，而 H-ADCP 显示的是正负抵消后的结果，所以 H-ADCP 流量比流速仪流量偏小。

4）受月城河船闸开关影响，产生水量分流，使流速忽大忽小。

5）H-ADCP 自身有不稳定的系统误差[2]。

6）受河中水草影响，指标流速有部分异常，从而影响平均指标流速。

总之，望亭站经过连续多年的比测，引、排水定线精度已基本能满足闸门调度的需求。今后的工作是在已有资料的基础上，进一步对引排水关系进行修正，使标准差及随机不确定度能达到SL247-1999《水文资料整编规范》[3]和 SL195-97《水文巡测规范》[4]的要求，从而能将成果直接应用于资料整编中。

对于以后的工作，有以下几点建议：

1）使用 H-ADCP 进行流量监测要考虑安装条件，站址的选择。

2）传统的流速仪测流，受到人力物力的局限性，工作量大，而 H-ADCP 自动测流设备，大大减轻了工作强度，且是24h 在线监测，计算日平均流量具有代表性，是水文现代化不可缺少的新技术。因此无论从哪一角度来讲，应适当放宽 H-ADCP 计算流量与断面实测流量误差范围，让许多新技术随着水文现代化得到广泛应用。

[1] 中华人民共和国水利部.GB50179-93河流流量测验规范[S].北京：中国计划出版社，1993: 1-16,60-114.

[2] 中华人民共和国水利部.SL337-2006声学多普勒流量测验规范[S].北京：中国水利出版社，2006: 13-15.

[3] 中华人民共和国水利部.SL247-1999水文资料整编规范[S].北京：中国水利出版社，1999: 10-11.

[4] 中华人民共和国水利部.SL195-97水文巡测规范[S].北京：中国水利出版社，1997: 13-19.