基于VB的H-ADCP率定程序的研发与应用

盛龙寿，席泽超，朱龙喜，姚华，秦建国，严维宁

（江苏省水文水资源勘测局无锡分局，江苏无锡，214031）

0 引言

流量测验是水文监测的重要任务之一，随着水利现代化建设的不断推进，传统的测流方式已无法完全满足水利信息化的要求，更多的新技术、新设备被引进，水平声学多普勒剖面流速仪（H-ADCP）应用最为广泛，它利用多普勒效应原理进行流速测量，通过测量断面部分单元流速进而推算出断面流量。H-ADCP代表流速与实测断面平均流速关系的率定精度，决定了H-ADCP自动化测流的精度。目前，H-ADCP代表流速的单元区间选择仍采用人工方式，存在一定的误差，如何最优化的自动率定H-ADCP代表流速与实测断面平均流速的关系问题还有待进一步研究解决。通过运用VB6.0编程对存储在Excel表内的H-ADCP单元流速和实测断面平均流速数据进行统计分析，可以实现代表流速单元区间和流速系数的自动最优化选择。

1 H-ADCP测流基本原理

声学多普勒剖面流速仪ADCP分为走航式与定点式两类，定点式ADCP又分为横向测流和垂向测流两种，其中横向测流的水平声学多普勒剖面流速仪（H-ADCP）具有安装调试和维护比较方便，能测验断面一个区域一层连续的多个测点（单元）流速的特点，应用最为广泛[1]。H-ADCP利用多普勒效应原理以测到的水体中移动的颗粒物速度作为水流速度，可根据部分单元区间代表流速和实测断面平均流速率定流速系数，通过H-ADCP部分单元流速和率定出的流速系数推算出断面流量[2]。

2 程序设计思路

假设H-ADCP比测了n次，测流断面共划分了m个单元，H-ADCP率定的实质就是需要找出与实测断面平均流速关系最好的单元流速区间。设计思路如下：

需要率定的假设单元流速区间共有m+0.5·m·(m-1)种单元区间组合：

第1列、第1-2列、第1-3列……第1-（m-1）列、第m列

第2列、第2-3列……第2-（m-1）列、第2-m列

第 3列……第3-（m-1）列、第 3-m列

………. ……

………. ……

第（n-1）-(m-1)列第(n-1)-m列

第n-m列

单元流速区间的平均流速与实测断面平均流速的关系为：

式中：Vm为实测断面平均流速，m/s；

Vcp为H-ADCP单元流速,m/s。

流速系数K值的取值范围一般在0.80～1.20之间，实际上不会出现超出这个范围的数值[3]。

可以假设k值分别为0.80、0.81、0.83…..1.19、1.20，根据假设的单元区间流速平均值推算出断面平均流速，进而计算出标准差Se。根据水文资料整编规范（SL 247-2012）[4],标准差可按下式计算：

式中：Se为实测点标准差，%；

pdi为第i实测断面平均流速,m/s；

pci为第i推算的断面平均流速,m/s。

最后是挑选最小的标准差及对应的K值和单元区间范围。

上述步骤不可能用人工计算方法实现，可通过计算机编程加以解决。

3 功能实现

3.1 编制EXCEL工作表

Excel是目前常用的办公软件之一，很多工程试验数据以Excel电子表格的文件存储。要从这些表格里得到可靠的计算结果，必须借助计算机程序软件来自动处理繁琐的数据[5]。Excel工作表的数据必须包含单元流速、实测断面平均流速数据。单元流速数据可根据H-ADCP自动测流记录挑选，实测断面平均流速数据一般根据H-ADCP使用单位实测流量资料统计。示例样表见表1，表中第四列至倒数第二列为单元流速，最后一列为比测得到的断面平均流速。在选择单元流速时，剔除靠近H-ADCP处的部分单元流速和对岸的部分单元流速，原因是岸边一般有回水倒流现象，流速不太稳定，由于ADCP有波速宽角，离仪器较远处的流速测验误差较大，对岸岸边部分流速测验误差较大。某些测次如受航运船只影响，流速分布有突变现象，也应人工剔除。某些测次采用不同的测流方式，会存在一定的系统误差，也应注意甄别并剔除。

表1 xxx站 H-ADCP单元流速数据

2021-08-01 10:33 4 4.02 0.04 0.08 0.10 ……0.07 0.06 0.05 0.11… … … … … … …… … … … …… … … … … … …… … … … …… … … … … … …… … … … …2021-09-23 13:07 4 4.02 0.04 0.08 0.10 ……0.07 0.06 0.05 0.11 2021-09-30 12:30 4 4.09 0.10 0.11 0.11 ……0.07 0.04 0.03 0.12 2021-10-07 11:53 4 4.04 0.21 0.22 0.23 ……0.17 0.15 0.16 0.26

3.2 Vb编程

3.2.1 程序流程

图1 设计思路及程序流程图

3.2.2 Vb读取Excel数据

VB6.0提供的ActiveX自动化技术，能使VB访问或控制Excel,实现对其表格内数据进行处理。首先需要添加引用microsoft excel 11.0 object library，编制好启动页面表单。采用四重循环语句计算各单元区间平均流速，平均流速采用算数平均法计算。然后采用假设的流速系数计算推流误差，假设流速系数范围为0.50～1.50。再采用水文资料整编规范的公式计算标准差，最后选择最小标准差及相应的单元流速区间范围和流速系数。具体程序语句从略。

4 计算实例

某站根据表2用程序最优化选择了单元区间范围，率定出了H-ADCP代表流速与断面平均流速的系数，代表流速与断面平均流速率定成果通过符号检验、适线检验和偏离数值检验，符合国家水文资料整编规范。率定成果图见图2，关系曲线检验表见表2。

图2 xxx站H-ADCP代表流速与断面平均流速率定成果图

表2 xxx站H-ADCP代表流速～断面平均流速关系曲线检验计算表

适线检验： U=-1.44 免检偏离数值检验： |t|=0.43 允许：1.67(显著性水平 a=0.10) 合格标准差： Se(%)=5.1 随机不确定度(%)：10.2系统误差(%)：-0.4说明：

5 结论

利用VB的ActiveX自动化技术开发的H-ADCP率定程序，其设计思路清晰，程序语言简明，用户界面友好，操作简单，在国内首次解决了目前H-ADCP率定时单元代表流速区间选择过程中的人为误差问题，提高了率定精度，符合精细化管理的要求，具有重要的推广应用价值。