H-ADCP 在沿海挡潮闸流量测验中的应用

李 沛，宗长荣

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224000）

H-ADCP 在沿海挡潮闸流量测验中的应用

李 沛，宗长荣

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224000）

主要研究 H-ADCP 在沿海挡潮闸流量测验中的应用，通过黄沙港闸水文站安装的 H-ADCP 与同断面流速仪进行同步比测率定，得到指标流速 υi和断面平均流速 υp关系公式：υp= 0.832 υi，同时关系线按照《水文资料整编规范》的要求进行符号、适线及偏离等检验，结果均符合规范要求，证明在率定范围内的关系符合规范要求。说明只要选择断面位置正确，设计安装合理，通过正确的比测率定，利用 H-ADCP 实现沿海挡潮闸的测流自动化是完全可行的。

H-ADCP；沿海挡潮闸；流量测验；率定分析

0　引言

挡潮闸是建于滨海地段或河口附近，用来挡潮、蓄淡、泄洪和排涝的水闸。涨潮时关闭闸门，防止潮水倒灌进入河道，拦蓄内河淡水，满足引水、航运等的需要。退潮时，潮水位低于河水位，开启闸门，可以泄洪、排涝和冲淤。

在挡潮闸上游设立水文站点，进行闸上水位和流量的观测主要是掌握上游水位及入海水量变化，为防汛抗旱、本地区的规划治理、工程管理和水资源开发利用及水环境保护提供科学依据和信息。目前水位观测已经实现在线观测，但流量测验仍然依靠人工，存在工作强度大和实时性差等缺点，因此研究 H-ADCP 在沿海挡潮闸流量测验中的应用，对于挡潮闸流量测验自动化的推动起到促进作用。

1　H-ADCP 流速率定方法

H-ADCP 的流速率定过程中，通常使用回归法进行流速率定计算，回归法是建立 H-ADCP 实测流速（指标流速）与河流断面平均流速之间的相关关系，相当于用实测资料对系统进行率定。

具体方法是，利用 H-ADCP 测量流速（指标流速）的同时，用其它方法测量出河流的断面真实平均流速；此时 H-ADCP 测量的流速（指标流速）与断面平均流速相对应。在不同的流量及水深情况下得出很多组指标流速和断面平均流速，通过回归分析（采用最小二乘法），建立断面平均流速与 H-ADCP 实测流速（指标流速）之间的相关关系（回归方程）。

流速回归方程：υ = b1+ （b2+ b3H ） υI［1］，式中：υI= 指标流速，b1，b2，b3为回归系数，如果b3= 0（影响很小，近似为 0），则 υ = b1+ b2υI。

回归方程建立后，在以后的测量过程中，由H-ADCP 连续地测量流速（指标流速）和水位数据，根据 H-ADCP 实测流速（指标流速）和预先得出的回归方程，即可计算出当时的断面平均流速，根据 H-ADCP 实测的水位值和预先知道的大断面就可以计算出当时的过水面积，断面平均流速和过水面积的乘积就是流量：Q = A• υ，

式中：A 为过水断面面积；υ 为断面平均流速。

2　率定分析

2.1代表站概述

目前沿海各挡潮闸的流量测验主要是使用流速仪法，利用测流缆道或桥测车进行。为了研究H-ADCP 在挡潮闸流量测验中的应用，江苏省水文水资源勘测局盐城分局在沿海四大港闸中的黄沙港闸安装了 H-ADCP 测流设备，并进行了比测率定，率定范围内的流速关系获得上级部门的认可。以黄沙港闸站为代表站进行 H-ADCP 在沿海挡潮闸流量测验的应用分析。

黄沙港为里下河腹部排水入海的主要干河，全长约 89 km，底宽 40～90 m。为蓄淡御卤，于 1972 年6 月建黄沙港闸，闸身总长 126.1 m，共 16 孔，闸底板高程 -3.5 m（废黄河口基面，下同），设计最大流量 1 418 m3/s，设计日平均流量 200 m3/s［2］。2012 年底为加强流量测验的自动化研究，在闸上游210 m 处的流量测验断面安装了 H-ADCP 自动化流量测验平台，该测验断面上下游河道顺直，水流平稳，无紊流区。

2.2仪器安装高程选择

为确保任何情况下都能够进行测量，同时尽量保持定位、定点测量，以保证流量关系相对稳定，设备主机安装高程一般控制在当地最低水位以下约0.3 m。因黄沙港闸站多年平均低水位为 0.69 m，历年最高水位 2.32 m，历年最低水位 -1.06 m，经现场调试，最终确定黄沙港闸站 H-ADCP 主机安装位置的高程为 -1.25 m。如图 1 所示。

图1　黄沙港闸站 H-ADCP 安装断面图

2.3率定分析

2.3.1比测安排

2013，2014 年进行同步流量测验，均选择闸门全开的时段进行，水情分布上尽可能涵盖高、中、低水位，大、中、小流量（速）等。其中，常规测验采用测流缆道流速仪法，常规测法时全断面布设 10 条垂线，每条垂线均测相对水深 0.2，0.8 m 的测点流速［3］；H-ADCP 以 10 min 采样间隔进行自动测流。

2.3.2比测率定分析

2 年期间，共同步施测点数 73 个，对比测验资料进行计算整理，并对测验成果进行率定分析，得到黄沙港闸站指标流速 υi和断面平均流速 υp相关关系，如图 2 所示。

流速公式：υp= 0.832 υi，相关系数：R2= 0.982，式中：υp为断面平均流速；υi为指标流速。

图2　黄沙港闸站υi～υp关系曲线图

2.3.3检验分析

根据 SL 247-2012《水文资料整编规范》中规定：关系曲线为单一曲线、使用时间较长的临时曲线及经单值化处理的单一线，且测点在 10 个以上者，应做符号、适线和偏离检验［4］。因此对上述率定关系曲线做了 3 项检验，检验结果均符合资料整编规范要求，详如表 1 所示。

表1　υi～υp关系线 3 项检验成果表

2.3.4H-ADCP 断面水位面积相关分析

通过断面测量，取得足够多的水位和面积数据，进行大断面数据分析［5］，得出水位面积关系公式，如图 3 所示。相关系数：R2= 0.99；面积公式：A = 123.99 Z + 231.82，

式中：A 为断面面积；Z 为水位。

2.3.5流量测验误差分析

利用指标流速关系公式计算得到的断面平均流速与水位面积关系得到的面积相乘，得到 H-ADCP实时监测的流量，与缆道流速仪测得的流量进行误差分析，通过分析统计，绘制不同水位下的流量误差分布图，得到如下结果：最大误差 13.9%，最小误差 0.2%，平均误差 1.3%，相对误差 ≤ 5% 的合格率为 76.7%，相对误差 ≤ 10% 的合格率为 97.3%。详如图 4 所示。

图3　H-ADCP 测流断面水位面积关系图

图4　水位～流量误差分布图

3　校测分析

SL 337—2006《声学多普勒流量测验规范》规定，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［6］。

2015 年盐城市，汛前水情基本平稳，汛期屡遭梅雨、台风暴雨和夏日强对流降水袭击，降水量较常年偏多三成，河网水位多次超警戒，受害严重。黄沙港闸水文站在 2015 年特殊的水情工况下，选择高、中、低水情条件，合理安排时间进行 H-ADCP测流校测，实测得 21 个测点。

通过对 2015 年校测测量成果进行分析，发现υi～υp关系与 2013，2014 年黄沙港闸站的比测率定关系基本吻合，流速校测 υi～υp关系如图 5 所示。同时通过对黄沙港闸站 2015 年 21 个测点与测定的υi～υp关系曲线做学生氏 t 检验，得到 | t | = 1.71＜1.96，符合学生氏 t 检验要求，推出结论：原关系曲线仍可使用。

图5　黄沙港闸站 2015 年流量校测关系图

4　结语

综上所述，从测验断面布设情况来看：该测验断面上下游河道顺直，水流平稳，无紊流区；从仪器安装位置来看：仪器安装高程合适；从测验资料的检验分析成果来看：该站 H-ADCP 指标流速和断面平均流速关系检验的各项统计参数均符合 SL 247 —2012《水文资料整编规范》要求，指标和断面平均流速关系成单一关系。在今后的使用过程中，通过进一步加强率定范围内的关系线校测和其他不同水情条件下的比测率定工作，能够利用H-ADCP 实现黄沙港闸的流量自动在线监测工作。

黄沙港闸的堰闸规模、闸下港道及排涝能力在沿海众多挡潮闸中有较好的代表性，因此，其他沿海挡潮闸，通过合理选择仪器型号、安装断面、确定合适的安装高程，做好流量比测率定，可以使用H-ADCP 这款自动化测流设备代替传统的流速仪测流，以实现沿海挡潮闸的流量测验自动化目标。

［1］ 田淳，刘少华. 声学多普勒测流原理及其应用［M］. 郑州：黄河水利出版社，2003: 180-185.

［2］ 陈锡林，沈长松. 江苏水闸工程技术［M］. 北京：中国水利水电出版社，2013: 158-171.

［3］ 中华人民共和国水利部.河流流量测验规范：GB 50179—2015 ［S］. 北京：中国计划出版社，2015: 72-73.

［4］ 中华人民共和国水利部. 水文资料整规范：SL 247—2012 ［S］. 北京：中国水利水电出版社，2012: 14-16.

［5］ 张楠，时秀梅，单志学. 利用 EXCEL 精确计算水位面积曲线的方法［J］. 陕西水利，2013: 210-211.

［6］ 中华人民共和国水利部. 声学多普勒流量测验规范：SL 337—2006 ［S］. 北京：中国水利水电出版社，2006: 3-4.

Application of H-ADCP in Coastal Tidal Sluice Flow Test

LI Pei， ZONG Changrong
（Yancheng Branch of Jiangsu Provincial Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Yancheng 224000， China）

The article main researches application of H-ADCP in coastal tidal sluice discharge tests. By comparing data of H-ADCP installed in the hydrological station of Huang Shagang sluice with data of current meter in the same cross section synchronous， it gets the relationship formula of index flow velocity and section mean velocity:vp = 0.832 vi. In accordance with the requirements of ＜the code for the hydrological data reorganize＞， it does sign test，the optimum line inspection and deviation inspection for the relationship line at the same time. Results show that relationship within the scope of the rate constant conforms to the requirements of the specification. Just choosing correct section position， reasonable design and installation， right ratio measurement rate， it is completely feasible to realize current automation of coastal tidal gate by using H-ADCP.

H-ADCP； coastal floodgate； flow test； calibration analysis

P335+.1

A

1674-9405（2016）04-0041-04

10.19364/j.1674-9405.2016.04.009

2016-05-09

李 沛（1962- ），男，江苏徐州人，高级工程师，主要从事水文水资源、水文信息化等工作。