南宁站定点式ADCP指标流速与断面平均流速关系模型的建立和应用

韦广龙

（广西水文水资源局南宁水文站，南宁 530007）

南宁站定点式ADCP指标流速与断面平均流速关系模型的建立和应用

韦广龙

（广西水文水资源局南宁水文站，南宁 530007）

南宁站通过定点式与走航式声学多普勒流速仪（ADCP）比测，经率定后，建立定点式H-ADCP指标流速与断面平均流速关系模型，以此关系模型应用到流量自动监测，实现南宁水文站定点式H-ADCP流量自动监测。

南宁站；定点式ADCP；流速关系

1 概述

应用定点式H—ADCP自动监测流量，是解决南宁（三）站受水利枢纽蓄水回水影响所造成水位流量关系不稳定、测流多、定线难等问题的新技术，在定点式H—ADCP应用前，要选好定点式H—AD⁃CP、优选测点、安装设备，通过定点式H—ADCP与走航式ADCP流量比测，进行指标流速Vi～断面平均流速Vm关系率定，建立指标流速Vi～断面平均流速Vm关系模型，达到定点式H—ADCP正式投入生产应用的目的，实现南宁（三）站流量自动监测。

（1）河流特性。南宁（三）站为郁江上游控制站，集水面积72 656 km2，河段顺直，水流含沙量小，为悬移质泥沙，水位年最大变幅17.5m，流量年最大变幅13 400 m3/s。因受下游西津电站调蓄水影响，无稳定水位流量关系。

（2）断面特征。南宁（三）站断面为梯形（见图1），河床稳定，河底为沙卵石，无水草，流向与断面垂直，无回流，适合使用ADCP测流。

（3）水文特征。南宁（三）站多年最低、最高水位60.65 m～77.95 m，多年最小、最大流速0.045 m/s～2.45 m/s（2001年），多年最小、最大流量85.0 m3/s～13 400 m3/s，多年最小、最大含沙量0.0 kg/m3～5.71 kg/m3。

图1 南宁（三）站流速断面及水平ADCP位置示意图

2 声学多普勒测流原理

ADCP一般配有4个（或3个）换能器，换能器与ADCP轴线成一夹角，每个换能器即是发射器也是接收器。换能器发射的声波具有指向性。换能器某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物散射回来的声波。一般认定颗粒物的运动速度与水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器听到的回波频率高；当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器听到的回波频率低。声学多普勒频移，即回波频率与发射波频率之差[1]，由下式确定：

式中：FD——声学多普勒频移；

F——发射波频率；

V——颗粒物沿声速方向的移动速度；

C——声波在水中的传播速度。

ADCP每一个声速轴线即为一个声束坐标。每个换能器测验的流速是水流沿其声束坐标方向的流速分量。南宁（三）站定点式H-ADCP为二个换能器。

3 选用设备

《声学多普勒流量测验规范》（SL337—2006）2.2.1“定点式流量测验，应根据所测断面的河宽、水深、流速和含沙量等情况选用合适的声学多普勒流速仪”。

南宁站使用定点式H-ADCP是由TRDI公司生产的固定式多普勒流速剖面仪600 kHz（90 m）型，为ChannelMaster系列H-ADCP。主要技术参数如下：工作频率600 kHz；换能器发射（声速）角20°；测速范围±0.01～±20.0 m/s（水平方向）；速度分辨率0.1 cm/s；流速精度0.25%，测量范围1.0～20 m；盲区0.5 m；单元数128；单元尺寸100 cm；声速1 500.0 m/s；水体温度1.0℃～38.0℃；盐度0ppt；内存2 M，内部声学水位计和内部压力水位计。符合该站水文特征。

4 设备安装

（1）安装位置。南宁（三）站定点式声学多普勒流速剖面仪（H-ADCP）安装在流速仪测流断面上游左岸10.0 m处，安装高程为59.20 m，起点距60.0 m，距河底1.5 m。固定安装在特制的铁架上。

（2）安装要求。南宁（三）站定点式H-ADCP，根据《声学多普勒流量规范》第2.2.4、2.2.5、3.2.2、3.2.3的要求及规定进行安装，电源采用直流电供电，外加太阳能充电，确保电压保持11 V以上。HADCP的横摇（度）为0.200，纵摇（度）0.000，波特率9 600，内驱版本：28.36，采样间隔时间：5 min。

5 比测及成果分析

南宁（三）站定点式H-ADCP与RS-1000型走航式ADCP进行比测，比测方法、程序如下：在同一测流断面同时进行比测，走航式ACDP施测二个测回断面流量，两次流量误差应小于±5.0%，固定式H-ADCP按单元数5～65，每5 min采集指标流速一次，在比测时间内的几次采集指标流速的平均值。以走航式ADCP实测流量Qm、相应水位HC与定点式H-ADCP指标流速Vi采用定线通软件进行率定。通过相关分析法来确定断面平均流速Vm的率定系数。比测依据：根据《声学多普勒流量测验规范》定点式流量测验的要求第2.2.1进行比测。

5.1 比测方法

（1）比测前期。比测前，将走航式ADCP换能器入水深度为0.2 m，入水深度虽较小，但测流过程中不发生换能器露出水面，产生“空蚀”现象，从而保证了测验精度。走航式ADCP比测位置在流速仪测流断面处，测船尽可能沿着测流断面线匀速横渡施测，测验时测船平均速度力求小于或等于水流流速；固定式H-ADCP在比测前，电脑开机后，运行H-ADCP程序，在第一设置框（见图2）点击指定数据，点击OK后，进入第二设置框（见图3）点击指定数据，导入当年大断面数据，再点击OK，即可进行固定式H-ADCP比测。

图2 运行H—ADCP程序第一设置框

图3 运行H—ADCP程序第二设置框

（2）比测过程。比测开始：在同一时间，同一流速仪测流断面，进行走航式ADCP和定点式H-ADCP比测。取走航式ADCP施测开始时间为比测开始时间，读取对应施测开始的固态水位，走航式ADCP采用两个测回，要求每个测回流量误差应小于±5.0%，且两个测回流量误差应小于±5.0%，即取两个测回流量的平均值为比测流量Qm；比测结束：取走航式ADCP施测结束时间为比测结束时间，并读取对应施测开始的固态水位，取走航式ADCP施测开始、结束时间的平均值为比测时间Tm，所对应施测开始、结束的固态水位平均值为比测水位Hm。负责定点式H-ADCP操作，按走航式ADCP施测开始、结束时间内，摘取每5 min采集的各个指标流速值，取其平均值为比测指标流速Vi，比测过程结束。

（3）比测要求。按照《声学多普勒流量测验规范》第5章第5.2.2的规定：①相关关系的建立应以仪器实测流速和实测断面平均流速为依据；②断面平均流速可用流速仪精测法或走航式多普勒流速仪测量；③应收集不同水位级的关系率定资料，分析各种情况下相关关系；④各水流条件关系率定的样本数应大于30；⑤定线精度指标应符合SL247-1999要求；⑥应选取相关关系最优的关系线推算流量；⑦不同水情可采用不同的相关关系。因此，南宁（三）站定点式流量测验比测应大于30测次，按不同水位级、不同的流速进行比测，与走航式ADCP比测流量误差应小于±5.0%。

5.2 比测资料

南宁（三）站600 kHz（90 m）型定点式H-ADCP与RS-1000型走航式ADCP于2010年5月19日～9月17日进行了39次比测，比测水位范围61.08～69.58 m，流量变幅308～5 490 m3/s;比测流速范围0.04～1.15，与走航式ADCP比测流量误差应小于±5.0%。

5.3 比测分析

将南宁（三）站600 KHz（90 m）型定点式H-ADCP比测39次的资料在H-ADCP运行程序进行分析，单元数级别分成：5～50；5～55；5～60；5～65；5～70；5～75等5个进行重新计算单元数级别的流量误差。计算方法：将走航式ADCP比测39次的流量、水位和定点式H-ADCP的指标流速Vi，录入H-AD⁃CP定线通程序中进行计算。经计算，优选单元数：5～65，所得南宁（三）站2010年断面平均流速Vm与指标流速Vi相关式及率定指标参数，分别为：

一元线性：

（2）（3）（4）式中：

Vm——断面平均流速，m/s；

Vi——指标流速，m/s；

Hi——相应水位，m。

通过对39份比测资料进行指标流速法率定，采用一元线性、二元线性、一元二次多项式计算，合格率分别为89.74%、100.0%、97.44%（见表1），各项技术指标符合定点式H-ADCP流量测验的技术要求。

经分析，采用二元线性法计算得各种技术指标优于前后两各分析法。因此，优选二元线性法的关系式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi为南宁（三）站定点式H-ADCP率定公式（见图4），用于推算流量。

表1 南宁（三）站2010年定点式H-ADCP指标流速率定参数计算表

图4 南宁（三）站2010年断面平均流速Vm与指标流速Vi相关线

6 应用

6.1 应用模型

南宁（三）站2010年定点式H-ADCP通过比测分析，得到南宁（三）站指标流速Vi～断面平均流速Vm关系模型，即率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi。其中，率定参数b1=0.1 494，b2=0.1 979，b3=0.0108。对率定公式：Vm=0.1494+（0.1979+0.0108 Hi）Vi进行检验，相关线符号、适线、偏离检验均合理，曲线标准差2.37%，系统误差-0.01%，符合《水文资料整编规范》流量检验要求。

6.2 数据采集

南宁（三）站定点式H-ADCP按照比测率定得指标流速Vi～断面平均流速Vm关系模型参数输入运行，进行流量自动监测，按每5 min1个时段监测1次，每1次指标流速监测历时为100 s，每2天采集定点式H-ADCP流量数据一次，采集的指标流速原始数据通过平滑处理后，根据率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi，计算时段断面平均流速Vm和流量Qm，以每5 min读取1个流量数据，采用实测流量过程线进行流量整理，并找出月最大、月最小流量。

采用率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108 Hi）Vi进行南宁（三）站2010年7月份流量推算。经计算得，逐日平均流量的平均误差为0.57%，最大误差为-2.65%，月平均流量误差为-0.53%，月最大流量误差为0，月最小流量误差为1.4%，符合《水文资料整编规范》流量整编要求。

6.3 应用范围

南宁（三）站2010年定点式H-ADCP水位范围：61.08～69.58 m，流量：308～5 490 m3/s;流速范围：0.04～1.15 m/s。

根据水利部《声学多普勒流量测验规范》第2.2.6条:根据试验资料确定的相关关系或模型应进行校测，校测的样本数应不少于10次。当校测点明显偏离原率定相关关系时，应及时加密校测测次，以满足重新率定相关关系。校测结果宜用统计检验法进行检验。当原相关关系与校测样本有显著性差异时，应重新进行试验并率定相关关系。

7 重新率定相关线

7.1 校测检验

南宁（三）站2010年定点式H-ADCP经比测分析，确定率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108Hi）Vi，上报主管机关审批后，同意从2011年1月1日起，正式应用定点式H-ADCP作为流量测验的常规方法，其成果用于资料整编。应用范围：水位范围：61.00～69.50 m；流速范围：0.05～1.15 m/s。

在采用定点式H-ADCP测流期间，应严格按《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）的有关规定做好流速关系校测工作，每年校测次数不少于10次，要求校测点据基本均匀分布于各流速级。并继续做好水位69.50 m以上及指标流速大于1.15 m/s的比测率定工作。

南宁（三）站2011年定点式H-ADCP在校测中，出现了水位71.65 m大于69.50 m，指标流速1.22 m/s大于 1.15 m/s，指标流速 0.03 m/s小于 0.05 m/s；水位、指标流速均超出应用范围，校测点明显偏离原率定相关线。因此，加密校测测次，共校测39次。对校测39次指标流速按原定率定公式：Vm=0.1 494+（0.1 979+0.0 108Hi）Vi进行流量检验。检验结果是：相关线符号、适线、偏离检验均不合理，曲线标准差16.51%大于4.0%，不合理，系统误差-10.1%大于-2.0%，不符合《水文资料整编规范》流量检验要求。

7.2 重新率定

将南宁（三）站2011年定点式H-ADCP校测39次重新率定。按6.2比测分析的方法进行率定，以率定分析，确定重新率定相关式：Vm=0.0 473+（1.3 821-0.0 051Hi）Vi（见图 4），其中，率定参数 b1=0.0 473，b2=1.3 821，b3=-0.0 051。水位范围：61.00～71.65 m；流速范围：0.03～1.22 m/s。

图4 南宁（三）站2011年断面平均流速Vm与指标流速Vi相关线

7.3 相关分析

南宁（三）站2011年定点式H-ADCP重新率定相关线，经相关法检验得知，相关线符号、适线、偏离检验均合理，曲线标准差1.90%，合理，系统误差0.001%，符合《水文资料整编规范》流量检验要求。

南宁（三）站2011年定点式H-ADCP重新率定相关线，相关系数：0.99 965，合格率100%。

9 结语

南宁（三）站定点式H-ADCP按照《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）的有关规定，于2010年与走航式ADCP进行比测，2011年校测，与原相关关系与校测样本有显著性差异，重新率定相关线得：Vm=0.0 473+（1.3 821-0.0 051Hi）Vi，应用范围，水位范围：61.00～71.65 m；流速范围：0.03～1.22 m/s。

南宁（三）站定点式多普勒流速剖面仪600 kHz（90 m）型（定点式H-ADCP）正式应用，实现了流量自动化监测，解决了因西津电站调蓄水影响，造成测流多，水位流量关系线多又乱，过渡线多，定线难诸多问题。定点式ADCP应用的优点多，少测流，不定线；减轻工作强度，减少测验成本；提高工作效率，提高监测水平；安全快捷，准确可靠。

[1] 张裕海，声学多普勒流速仪在浙江水文中的应用[J]，水文，2010（1）：51.

[2]SL337-2006，声学多普勒流量测验规范[S].

（责任编辑：刘征湛）

Development and application of a model describing the relationship between index velocity from H-ADCP and mean cross-section velocity at Nanning Hydrological Station

WEI Guang-long
（Nanning Hydrological Station of Guangxi Hydrology and Water Resources Bureau，Nanning 530007,China）

At Nanning Hydrologicd Station,comparative measurements between H-ADCP and vessel-mounted AD⁃CP were conducted.Based on the calibration results of comparative measurement data,a model describing the rela⁃tionship between index velocity from H-ADCP and mean cross-section velocity was developed.Application of this model permits automatic flow measurement by H-ADCP at Nanning Hydrological Station.

Nanning Hydrological Station；horizontal acoustic Doppler current profiler（H-ADCP）;velocity rela⁃tionship;

P332

B

1003-1510（2016）02-0017-05

声 明

《广西水利水电》编辑部

2016-02-23

韦广龙（1958-）男（壮族）广西上思人，广西水文水资源局南宁水文站工程师，从事陆地水文监测和计算工作。

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