黄屋屯水文定点式ADCP流速关系率定分析

黄存锦

（广西沿海水文中心钦州水文中心站，广西 钦州 535000）

1 测站概况

1.1 测验河段概况

黄屋屯水文站设于1971年，处于独流入海的茅岭江下游，距入海口17.5 km，集水面积1826 km2，为感潮河段水文站，属流量二类精度水文站。测验河段顺直约800 m。河槽为“U”型，河床右岸为风化石，左岸为沙质和淤泥组成，无水草生物，较易冲淤。测验断面最大水深处为起点距60.0 m，中泓位于断面45.0～95.0 m之间。断面上游19 km有电站闸坝，对流量测验影响不大；上游800 m处有分流串沟，水位7.50 m左岸开始漫滩；下游8 km处有大直江加入。测验河段为感潮河段，受潮汐影响显著，水位流量关系极其复杂。

1.2 水文特征

本站属亚热带海洋性季风气候，影响流域暴雨天气系统主要有低压、低涡、台风及台风槽等。

水流主要受上游来水和海洋潮汐变化的影响，呈现洪水、潮水、潮洪混合3种流态。洪水水位流量关系主要受洪水涨落率的影响，中洪以上呈逆时针绳套曲线，涨水偏大、退水偏小。潮洪混合呈顺时针绳套曲线，涨水偏小，退水偏大。潮水水位流量关系呈心型。

本站潮汐规律与北部湾基本一致，为不正规全日潮，一般情况下，每隔十四五天换一次潮，换潮时前3～4 d出现两次高潮两次低潮，其后为一天一次高潮一次低潮，大潮高潮水位3.3 m左右，大潮潮差3.6 m左右。

受潮汐影响时，小潮憩流不定，大潮时落憩出现在起涨后约30 min，最大负流约出现在高潮前1～2 h，涨憩出现在高潮后约30 min，最大正流出现在高潮1～2 h，涨潮流历时5～7 h，落潮流历时16～18 h，最大涨落潮平均流速为±0.5 m/s左右。

中洪水位4.5 m，高洪水位6.0 m。实测最高水位9.03 m，最大流量3130 m3/s，最大流速2.97 m/s，最大水深12 m；实测最低水位-1.05 m，最低水位时最大水深6.5 m，最小流速-0.6 m/s左右，落憩附近约有1～2 h平均流速小于±0.1 m/s。近年来，由于受人为抽沙影响，河床逐年下降。受河床降低及潮汐影响年洪水水位已有所下降，高潮有所提高，年水位大于4 m及流速大于1 m/s的天数小于15 d。

2 仪器安装及调试情况

2.1 仪器设备基本情况

采用ChannelMaster600型声学多普勒流速仪（简称CM型H-ADCP，以下简称定点式ADCP），该仪器同时配有压力式水位计、超声波水位计、指标流速探头、泥沙浊度探头、水温度探头，它具有结构紧凑、配置高、功能强等特点。它是利用向水中发射超声波束，由随水移动的悬浮颗粒反射，发生多普勒频移的物理原理，通过高分辨的仪器接收、解算返回波束频率的差别得到瞬时的流速、流量。侧置式多普勒流速仪器是安置在河岸一侧，测量水下特定区域范围的层流速（指标流速），这和传统潮流量测验代表垂线的作用是相同的。定点式ADCP可以在线监测，但提供的是流量断面特定水层的指标流速，还须用指标流速和断面平均流速建立关系，进而实现断面流量的实时监测。

ADCP技术指标：系统频率600 kHz，波特率9600，测速范围±5 m/s，流速测量精准确度±0.5%，直流接入DC 10～18 V，最大电流1.5 A，流速测量换能器双声束±20°，内存4 MB，声束角1.5°，声束宽度600 kHz，重量4.76 kg，作业温度-5°～-45℃，高度18.3 cm，宽度26.4 cm，纵深19.3 cm，倾斜计±15°；内置时钟、日期，内置钛金属外壳温度探头，自动补偿声速。

ADCP结构材质为聚胺酯外壳、钛合金紧固件，不锈钢安装底座。自动测温补偿，缺省盐度，平均间隔、采样间隔可以设定。仪器的记录器带有4 MB的存储量，可以存储200 000个采样数据，采用自动连续测量配置模式对流速自动连续采样并存储。

2.2 仪器安装调试

ADCP安装在抱箍式滑动导轨支架上，支架长2.3 m，采用304不锈钢，50 mm×50 mm×5 mm的角钢，可微调横摇、纵摇和艏向3个方向。滑轨支架上游安装有用于挡漂浮物的固定桩，架顶高于仪器0.50 m，不露出水面，处于基本水尺断面下游14 m，距离流速仪测流断面3.5 m，起点距36.5 m，河底高程-1.7 m，仪器高程-1.30 m，在历史最低水位下0.25 m，距离河底0.40 m。测量区间用2～28 m（起点距38.5～64.5 m），在此量程下不受河底的影响。在测量范围内未见回波干扰，信号强度足够，测量范围合理，ADCP流速数据可供使用。设置平均间隔60 s，采样间隔为300 s。黄屋屯站流速仪测流断面及ADCP安装示意图见图1。

图1 黄屋屯站流速仪测流断面及ADCP安装示意图

3 定点式ADCP流速关系率定及误差分析

3.1 率定目的

进行比测率定，确定定点式ADCP测验指标流速与断面平均流速（常规流速）的相关关系，最终达到用定点式ADCP流速仪代替常规流速仪进行流量测验。一方面提高水文测验手段，解决潮洪混合影响下传统的测验方法不能满足流量测验精度要求的问题；另一方面可以提高水文测验效率，实现定点式ADCP在线流量监测，资料整编电算化，从而实现水文现代化。

3.2 率定分析方法

按照《广西水文流量泥沙蒸发自动监测系统率定分析关键技术及应用纲要（试行）》进行率定。

本次比测采用水文缆道拖行声学多普勒流速剖面仪（也称走航式ADCP，简称M9）进行施测，航迹较好，速度均匀，流量精度较高，采用借用断面面积计算走航式断面平均流速。ADCP每5 min采样一次，流速经高斯滤波平滑处理后选取最接近平均时间的流速作为指标流速。

将两种仪器测验得到的同步水位流量流速数据，使用定线通软件进行分析计算，确定定点式AD⁃CP测验的指标流速与实测断面平均流速关系式。

3.3 数据采集

本次比测收集2021年5月17日～18日纯潮流量测验27次（每隔1 h施测1次），7、8、9月各测1次纯潮流量，10月份测5次潮洪混合流量。水位在-0.58～4.28 m之间，断面平均流速在-0.31～1.5 m/s之间，流量为-220～1500 m3/s之间。

本次使用M9施测的流量水位、流速分布均匀，点据足够，施测的潮洪混合点据偏少，定点式ADCP流速采样正常，满足关系线分析的要求。黄屋屯水文站ADCP指标流速与断面平均流速比较分析见表1。

表1 黄屋屯水文站定点式ADCP指标流速与断面平均流速比较分析表

3.4 指标流速与断面平均流速相关分析

相关关系和模型分析利用黄河水文科技公司“定线通”软件进行定线，定线数据文件水位、流量按规范保留有效数，指标流速按软件标准保留小数点后3位摘录，断面面积根据大断面成果由软件计算，断面平均流速=流量/面积，定线通软件水位、流量、面积、流速有效数保留至小数点后3位，计算结果见图2和表2。

表2 黄屋屯站定点式ADCP流速关系分析统计表

图2 定线通计算结果图

由表2可知，指标流速与实测断面平均流速相关关系密切，线性1、线性2、一元二次多项式、幂函数、二元线性5种模型系统误差超过±1%，随机不确定度也偏大，模型不理想。

依据《广西水文流量泥沙蒸发自动监测系统率定分析关键技术及应用纲要（试行）》流量自动监测系统率定分析精度控制表规定二类精度基本站的定线精度系统误差为1%，不确定度为12%，复合线性各项指标达到规范要求。因此选用复合线性相关关系式：Vm=0.0 213+0.9 252Vi（Vi≤0.073），Vm=0.0 315+0.7 862Vi（Vi＞0.073）。

3.5 推算断面平均流速与实测断面平均流速关系曲线检验

利用定点式ADCP的流速复合线性公式推求断面平均流速，与测站常规流速仪实测断面平均流速开展符号检验、适线检验和偏离检验，检验结果符合规范精度控制要求（见表3）。

表3 黄屋屯站定点式ADCP指标流速与断面平均流速关系曲线检验计算表

序号 施测号数 水位/m 指标流速/（m/s） 实测断面平均流速/（m/s）推算断面平均流速/（m/s）偏差P/% P（i）-P（平） [P（i）-P（平）]2 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 5 31 30 34 29 28 17 27 26 25 24 38 23 22 21 20 19 18 39 35 36 37-0.58-0.30-0.44 0.76-0.58-0.48 2.72-0.33-0.20 0.06 0.32 2.36 0.66 0.95 1.28 1.62 1.98 2.44 1.40 4.28 4.24 3.88-0.067 0.004 0.025 0.10 0.13 0.14 0.14 0.15 0.17 0.21 0.24 0.25 0.28 0.30 0.31 0.33 0.38 0.38 0.64 1.78 1.89 1.94-0.040 0.028 0.048 0.098 0.135 0.144 0.147 0.161 0.177 0.198 0.227 0.222 0.245 0.255 0.270 0.278 0.312 0.328 0.529 1.41 1.56 1.55-0.041 0.025 0.044 0.110 0.130 0.138 0.144 0.152 0.163 0.197 0.223 0.228 0.248 0.265 0.275 0.289 0.328 0.333 0.535 1.43 1.52 1.56-2.44 12.00 9.09-10.91 3.85 4.35 2.08 5.92 8.59 0.51 1.79-2.63-1.21-3.77-1.82-3.81-4.88-1.50-1.12-1.75 3.03-0.32-3.44 11.00 8.09-11.91 2.85 3.35 1.08 4.92 7.59-0.49 0.79-3.63-2.21-4.77-2.82-4.81-5.88-2.50-2.12-2.75 2.03-1.32符号交换次数：15合格11.83 121.00 65.45 141.85 8.12 11.22 1.17 24.21 57.61 0.24 0.62 13.18 4.88 22.75 7.95 23.14 34.57 6.25 4.49 7.56 4.12 1.74样本容量：N=35符号检验：u=0.00正号个数：18允许：1.15（显著性水平a=0.25）适线检验：U=0.51允许：1.64（显著性水平a=0.05）合格偏离数值检验：|t|=1.10允许：1.67（显著性水平a=0.10）合格标准差：Se=5.5%随机不确定度：11.0%系统误差：1.0%

3.6 时段径流总量误差分析

对定点式ADCP计算的流量与走航式ADCP施测的流量推算时段径流量进行比较，结果见表4。

表4 时段径流量对比表

3.7 率定资料质量评定

采集2021年5月17日11：55～2021年5月18日13：55数据，每隔1 h施测1次，即连续施测一个完整的潮期，共比测27次，得到较为完整的流量过程；7、8、9月每月均正常巡测1次，10月洪水及潮洪混合施测5次，总共35次。用复合线性关系式计算流速，经误差统计，系统误差为1%，标准差为5.5%，不确定度11%，达到《广西水文流量泥沙蒸发自动监测系统率定分析关键技术及应用纲要（试行）》的流量自动监测系统测验精度要求。

本次率定工作数据经过对比、计算、分析、整编，各种特征流量成果合理，用水平式ADCP方法采集的指标流速数据进行整编，流量成果质量合理可靠，可以作为2021年流量整编成果使用。避免了常规测流定线方法造成的测验不完整和人为定线误差，达到了流量实时在线监测的目的。

4 存在问题及解决方法

（1）测验河段受上下游取沙影响，近年断面冲淤变化较大，可采用多测水道断面的次数来减少借用断面带来的误差，但断面变化较大会引起原率定关系线的变化，相关关系线不能长期使用。

（2）由于今年安装定点式ADCP后一直没有出现较大洪水，只连续施测了一个完整潮期，10月份洪水施测了5个点子，但没能施测完整的洪水过程，大洪水及潮洪混合比测点子少，应增加洪水及潮洪混合校测次数，施测一场完整洪水过程进行率定分析，有必要重新率定相关关系线。

（3）根据经验，河槽降低有利于潮水行流，高潮更高低潮更低，如果最低水位再进一步降低，声束将突出水面而影响指标流速，或者需要减小采样区间，同时过高的潮水及小流速也超出率定关系式的使用范围。减小采样区间都需要重新率定，可以重新安装到合适的位置。

5 结语

比测结果表明：黄屋屯站使用定点式ADCP进行测量测验，可以达到国家二类水文站的流量测验精度，完全满足推算水量的要求。与传统测流仪器相比，具有不扰动流场、测验历时短、操作简便、连续性强、易于管理等特点，不但可以直接测出河流断面流层的流速分布情况，而且可以通过在线监测功能取得河流断面实时的流速变化过程，经过软件处理和资料整编，能取得较高质量的流量成果。