南京水文实验站ADCP流量测验方法改进研究

韦立新 蒋建平 曹贯中

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京 210011)

南京水文实验站ADCP流量测验方法改进研究

韦立新 蒋建平 曹贯中

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京 210011)

针对传统的ADCP走航式流量测验频次偏少、成本偏大等问题，南京水文实验站建设了ADCP在线测流系统，实现了流量的实时监测及全年流量的过程推求。在对系统简单介绍的基础上，与传统ADCP走航式测流进行比较，结果吻合。进一步研究了该系统的测量精度，根据实测流速的范围，将12次全潮水文测验分为流速较大和较小两种情况，并依次代入考虑不同指标流速的5种方案，分别进行计算。结果表明，模型中综合考虑垂线平均流速和水平平均流速的计算结果精度要优于只考虑某一单项指标流速的情况。在实际工作中，应尽量完整、准确地监测垂线平均流速和水平平均流速，使模拟值更加准确、有效。

在线测流；平均流速；ADCP走航式；ADCP在线测流系统；感潮河段；多元线性回归

1 研究背景

在长江下游干流，大通至江阴长约445 km的感潮河段，至今只有唯一一座水文站——南京水文实验站。南京水文实验站位于南京第三长江大桥与京沪高速铁路大胜关大桥之间，测验断面下游3 km处有梅子洲横亘江中；测验河道属分汊河型，河床冲淤变化不大，水流以单向径流为主,受感潮影响，水文特性复杂。

自2004年建站直至2010年，因水文测验设备和技术等多方面原因，测站采用ADCP走航式施测流量，只提供有限测次实测成果且无法整编，缺乏系统的水文资料。这在很大程度上制约了水文站的功效和作用。由于ADCP在线测流系统具有流速实时采集、精度高、速度快、频次多、信息量大的特点，与传统ADCP走航式测流相比，节省了大量时间和人力[1-3]，使流量的实时监测成为可能，因此，在我国徐六泾、黄陵庙等水文站得到应用[4-6]。为了满足长江下游防汛测报、水资源管理与开发利用、河道管理与稳定长江河势、大型水利工程建设等对感潮河段水文资料的要求，从2009年开始，南京水文实验站实施建设了ADCP在线测流系统。2010年11月，ADCP在线测流系统试运行并于2014年起正式投产。随着ADCP在线测流系统的启用，南京水文实验站实现了流量的实时报汛和过程推求，填补了长江感潮河段流量测验系列资料的空白[7]。

2 流量测验方法对比

2.1 测流方法介绍

(1) ADCP走航式测流。这是通过测船配置ADCP及高精度GPS与罗经设备，以走航方式施测断面通量的一种测验手段。该手段借助先进的仪器设备确保流量施测的精度，但其测验方式决定了频次很难提高。每测次需以走航方式施测两测回，每测回横渡江面往返各一次，以南京水文实验站测验断面的宽度，一测次测流时间需1 h以上，效率低，成本高。南京水文实验站自建站以来的几年内，按照水文局测站任务书要求，每年在大、中、小潮采用ADCP走航式施测流量，时机均选择在代表日平均流量的稳定时段(高潮后2～3 h)进行。在不同流量级还进行了多次全潮水文测验，以检验高潮后2～3 h施测流量的代表性(即该流量是否接近日平均流量)，在此基础上探讨流量推求的方法。

(2) ADCP在线测流系统。南京水文实验站ADCP在线测流系统主要采用水平式ADCP和定点ADCP相结合的方式。考虑到断面水流特性及在线测流设备数据通讯和安全等因素，在南京水文实验站防汛码头趸船上游 3.0 m(测验断面上90 m)安装水平式ADCP，用于右岸深槽指标流速的测定；在同一断面距离右岸流终桩约670 m处布设浮标船安装定点ADCP自动测量垂线流速，见图1。通过建立在线测流系统中指标流速与实测断面平均流速的多元统计回归模型，研究参数之间的函数关系，从而达到拟合断面平均流速的目的。在大断面历年冲淤变化较小的情况下，通过水位的自动监测，并借用大断面数据来计算过水断面面积，进而推求断面流量。ADCP在线测流系统的所有数据最终传送到中心站的数据库，可实时显示和在线查询。流量监测频率为10 min/次，基于密集的流量数据采用实测流量过程线法进行全年流量资料的整编。每年需在不同流量级采用ADCP走航式进行全潮水文测验，用于率定回归系数。

图1 南京水文实验站ADCP在线测流系统设备布置

2.2 测流方法比较

对比ADCP走航式测流，ADCP在线测流系统在很大程度上减轻了南京水文实验站流量测验的工作量和施测成本。两种不同测量方法的影响因素的比较见表1。

表1 不同测流方法各因素比较

2.3 流量成果的对比

2011年南京水文实验站以ADCP走航式施测稳定时段流量共计76次，计算年径流量为7 141×108m3，同年，ADCP在线测流系统试整编年径流量6 719×108m3，2011年长江下游干流控制站大通站的年径流量为6 671×108m3。以两种不同方式计算的南京水文实验站全年日均流量过程线与该年度大通站日均流量过程线对比见图2，显然ADCP在线测流系统整编流量过程与大通站的日平均流量总体趋势基本趋于一致，而ADCP走航式施测的流量数据呈现系统偏大。

图2 2011年日均流量过程线对照

此外，感潮河段流量与水位的周期性对应关系应符合感潮河段的水流特性，而ADCP走航式施测稳定时段流量仅能反映日平均流量，不能体现流量受潮汐影响的变化过程；同时若考虑采用连实测流量过程线法整编流量，以ADCP走航式测流的施测频次也远远不能满足要求。

3 ADCP在线测流系统的应用

3.1 数学原理

全潮水文测验所测断面平均流速可视为水平式ADCP和定点ADCP采集两大指标流速的函数，而线性关系则是体现多指标间相互关系的最基本函数。因此，通过多元线性回归分析揭示指标流速与断面平均流速之间的线性关系，建立多元线性回归模型。

某一监测时期内，断面平均流速V可认为是水平平均流速Vh和垂线平均流速Vf的线性函数，如下式所示

表2 全潮数据区间范围

V=C+aVf+bVh

(1)

3.2 应用效果分析

南京水文实验站在2010～2012年施测全潮水文测验，共计12次，其中每次监测频数以及流量、水位、潮差的统计结果如表2所示。

从表中可以看出:①全潮测量涵盖不同流量级，从-4 493 m3/s到63 552 m3/s的大、中、小潮，能较为全面地反映实际情况；②2010年11月7日～6月11日以及2011年10月19日～2012年3月25日时段内的8次监测流量最大值31 517 m3/s，流量相对较小；2011年6月19～20日及2012年7月20日～9月9日时段内4次监测流量最小值36 325 m3/s，流量相对较大。

8次小流量全潮实测流速最大值为1.02 m/s，4次大流量全潮实测流速最小值为1.04 m/s。为了解不同流速范围内模型的有效性，对8次流速相对较小的全潮以及4次流速较大的全潮分别进行回归分析。考虑水平式ADCP的50～100 m以及150～200 m两种测量范围，取其监测数据作为水平平均流速Vh1、Vh2，选取浮标定点ADCP监测数据作为垂线平均流速Vf可考虑以下5种方案：①只考虑垂线平均流速Vf与断面平均流速V之间的关系； ②只考虑水平平均流速Vh1与断面平均流速V之间的关系； ③只考虑水平平均流速Vh2与断面平均流速V之间的关系；④综合考虑垂线平均流速Vf、水平平均流速Vh1与断面平均流速V之间的关系；⑤综合考虑垂线平均流速Vf、水平平均流速Vh2与断面平均流速V之间的关系。

3.2.1 流速相对较小情况

对8次流速相对较小的全潮监测数据进行线性回归分析，并求取回归系数C、a、b及复相关系数R，计算结果如表3所示。

表3 小流速全潮监测数据多元统计回归分析

由表3可以看出：

(1) 5种方案的计算结果都比较理想，复相关系数R值均在 0.97以上；

(2) 综合考虑水平平均流速和垂线平均流速的方案，拟合效果明显优于单因素指标模型；

(3)比较只考虑单一指标流速的方案，尽管都可有效地反映实际监测数据，但其拟合精度存在一定差异，垂线平均流速优于水平平均流速；

(4)综合考虑水平平均流速和垂线平均流速的方案中，方案5略优于方案4，即含有150～200 m水平层水平平均流速的方案更优。该方案下断面平均流速实测值与拟合计算值的过程曲线如图3所示。

图3 小流速全潮时间段(方案5)断面平均流速

从图中可以看出，计算值拟合效果较好，与实测值基本一致，表明该模型在流速相对较小的全潮条件下，可以得到有效的应用。

3.2.2 流速相对较大情况

对4次较大流速情况下的全潮监测数据进行线性回归分析，求取回归系数C、a、b及复相关系数R，按上述的5种方案考虑，计算结果如表4所示。

表4 大流速全潮监测数据多元统计回归分析

由表4可以看出：

(1) 对于4次较大流速监测数据，在5种方案下计算得到的复相关系数R总体较为理想，方案5的复相关系数较高，方案2的复相关系数较低。这说明在断面平均流速相对较大的情形下，模型拟合效果也较好，但对比表3中小流速条件下的相应结果，相关性减弱。

(2) 方案4和方案5的拟合效果优于方案1、方案2和方案3，即在较大流速全潮监测时段，综合考虑垂线平均流速和水平平均流速的计算结果也要优于单独只考虑某一指标流速。

(3) 只考虑单一指标流速时，方案3相对较优；而综合考虑水平平均流速和垂线平均流速的方案中，方案5略优于方案4。可绘制方案5下断面平均流速实测值与计算值，如图4所示。

图4 较大流速全潮时间段(方案5)下断面平均流速

从图中可以看出，在流速相对较大的全潮时段，计算值与实测值之间拟合效果仍相对较好，表明模型在该条件下仍可得到有效应用。

4 结 语

本文介绍了南京水文实验站流量测验方法的改进,主要采用多元线性回归分析方法，通过ADCP在线监测的指标流速对实测断面平均流速进行拟合。结果表明，12次全潮监测数据回归分析结果中，8次流速较小全潮时间段计算值的拟合效果略优于4次较大流速全潮时间段。模型中综合考虑垂线平均流速和水平平均流速，其计算结果的精度要优于只考虑某一单项指标流速的情况。因此，在实际工作中，应尽量完整、准确地监测垂线平均流速和水平平均流速，从而使模型模拟结果更加准确、有效。

在ADCP走航式测流不能满足流量报汛及整编要求时，通过建设ADCP在线测流系统，实现了流量的实时监测和全年流量过程的推求，有效解决了感潮及潮汐河段流量测验难度大、测验精度不能满足整编要求等难题，具有较好的推广应用前景。

[1] 韩继伟，符伟杰，唐跃平，等. ADCP流量生成模型及相应计算方法研究[J].水文,2014,34(6):9-13.

[2] Sassi MG, Hoitink AJF, VermeulenB. Discharge estimation from H-ADCP measurements in a tidal river subject to sidewall effects and a mobile bed[J]. Water Resources Research, W06504,doi:10.1029/2010WR009972,1-14.

[3] Marsden R, Huang Hening,Wei Jinchun.Yangtze River ADCP discharge measurement using multiple external sensor inputs[C]//Proceedings of the IEEE Working Conference on Current Measurement, 2003:27-29.

[4] 朱巧云，高健，刘桂平，等．长江河口段徐六泾水文站潮流量整编代表线法研究[J]．水文，2008，28(4):61-64．

[5] 杜耀东，宋星原，王俊．H-ADCP在复杂环境下的应用[J]．人民长江，2008，39(3):57-59.

[6] 王发君，黄河宁．H-ADCP流量在线监测指标流速法定线软件“定线通”介绍与应用[J]．水文，2007，27(4):63-65．

[7] 韦立新，蒋建平，曹贯中．基于ADCP实时指标流速的感潮段断面流量计算[J].人民长江，2016,47(1)：27-30．

(编辑：李 慧)

2017-03-31

韦立新，男，长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局副局长，副书记，高级工程师.

1006-0081(2017)06-0011-04

P335.1

A

水文测验