安徽省自动测流系统比测研究及实践

丁 琳 邓世德 张 臣 唐 榕

（1.安徽省水文局，合肥 230000；2.安庆水文水资源局，安庆 246000；3.滁州水文水资源局，滁州 239000；4.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引 言

水文现代化建设规划提出要梳理水文监测能力与快速高效的水利监管需求之间的差距，要破解水文要素在线自动监测的技术难题，全面实现水文要素自动监测，自动测流系统应用成为水文部门的重要课题。目前的自动测流设备，如水平式声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、垂直式ADCP、点流速雷达波等，大都是传统测验方法的简化，施测的是表面流速或少数垂线的流速，需通过比测率定才能正式投入使用。比测如何展开，精度如何评定，需有明确标准。安徽省在在线测流系统应用管理的探索中积累了经验，对在线测流系统推广应用有借鉴意义。

1 自动测流设备建设现状及测流原理

1.1 建设现状

近年来，安徽省水文系统以水文监测方式改革、水文现代化建设为契机，不断增加在线流量监测系统数量，目前有40 余处测站建有自动测流系统。设备类型有水平式ADCP、垂直式ADCP、侧扫雷达、点流速雷达波、时差法、视频测流，以点流速雷达波与垂直式ADCP居多。

1.2 测流原理

（1）ADCP 测流[1]根据投射方式分为水平式ADCP[2]和垂直式ADCP。水平式ADCP 是将仪器探头安装在测流断面一侧水下某一高程处，测量河流断面中某一水层代表流速及流速分布，建立代表水层流速与断面平均流速的关系，由流速面积得到流量。垂直式ADCP是测验垂线上多个高程位置（单元）的流速，以垂向流速数据作为断面代表流速与全断面的平均流速建立相关关系，利用流速乘面积得到流量。垂直式ADCP 有坐底式和浮标式，坐底式[3]是将仪器探头安装在测流断面河底，射向水面方向，浮标式[4]是以浮标体作为设备搭载平台，探头由水面射向河底。

（2）侧扫雷达[5]是依据电磁波反射（或散射）和多普勒原理测量河流的表面流速。利用雷达接收回波与发射波的时间差来测定距离，利用电波传播的多普勒效应来测量目标的运动速度，获取表面流场信息，并与断面平均流速建立关系。

（3）点流速雷达波测流系统[6]是非接触测流系统，分为定点式和移动式，传感器发送固定频率雷达波射到水面，处理器测出反射和发射信号的频差，根据频差与流速的关系得到水面流速。

（4）时差法超声波流量计[7]工作原理是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来测量流体的流速，进而推求流量。

（5）视频测流采用智能图像识别自动监测技术实现水流流速动态监测及断面平均流量实时测算。

2 自动测流系统应用分析

2.1 比测分析方法与精度评定指标

（1）比测率定方法。比测采取同时间施测流量的方式，人工实测的断面平均流速（流量）采用转子式流速仪或走航式ADCP 施测，率定是建立自动监测的代表流速（流量）与实测断面平均流速（流量）的相关关系，根据水文资料整编规范[8]，可采用线性回归、分段线性回归、多元线性回归等方式。

式中：Q自为自动流量，m3/s；Q实为实测流量，m3/s；V自为自动监测代表流速，m/s；V实为实测断面平均流速，m/s。

（2）比测精度评定指标。自动监测的代表流速（流量）与实测断面平均流速（流量）的相关关系应满足相应的定线精度。采用系统误差、随机不确定度指标评定相关关系的精度，并进行符号检验、适线检验、偏离数值检验[8]。系统误差、随机不确定度如下计算。

式中：ε为系统误差，%；Se为标准差，%；XQ为随机不确定度；Qi为第i次人工实测流量，m3/s；Qci为第i次自动监测流量，m3/s；n为测点总数。

（3）比测精度评定标准。根据水文整编规范（SL/T 247—2020）[8]，水文巡测规范（SL 195—2015）[9]，声学多普勒测验规范（SL 337—2006）[10]的相关要求，结合水利部关于中小河流测验精度指导意见，以单一线定线精度为基准，参照规范中ADCP 测流随机不确定度可增大2%的规定，确定定线精度标准（表1）。

表1 各类水文站自动监测比测率定定线精度标准

2.2 实践应用

经过比测分析，虽已有部分站点投入使用，但仍有不少站点未能正式使用，除安装位置或设备选型等问题外，还存以下几点问题。

（1）比测时机偏少，积累测次不足。在平枯水期，水位低，流速很小，不在自动监测范围内，如梅溪三阳坑站雷达波测流系统8 月1—23 日测得流速均为0 m/s。闸坝站受闸门控制影响，闸门开启较少，对比测造成影响，如得胜河金河口闸站从2021 年8 月至2022 年4 月除了零星间隔几小时闸门变动均关闸，缺少比测时机。

（2）率定成果精度不能满足规范要求。如水阳江新河庄站侧扫雷达设备，自动监测数据虽大体趋势与人工实测流量接近，但存在不少数值偏离较大的情况（图1），经过比测率定，随机不确定度与系统误差均超限，3 种检验不通过。自动监测数据量大但稳定性差，单次流量的质控工作量较大，偏离数据常常不足以判断成突变点或无效数据，无法直接舍弃，加入比测测次率定，则会影响整个系列的率定成果，导致精度不能满足规范要求。

图1 新河庄站自动监测流量过程线图

（3）自动测流设备易出现故障，维护维修难度较大。安徽省建设的自动测流系统均出现过或长或短的故障期。金河口闸、石跋河石跋河闸、襄河全椒站等发生过单一探头故障问题，且设备置于河底，维护不便，有故障难以发现。秋浦河高坦站、白塔河天长站出现过数据传输异常，无法显示测验数据。三阳坑、周家河、全椒等站发生过长期阴雨太阳能板亏电或雷击断电等故障。较转子式流速仪或走航式ADCP等测流设备，自动测流系统的维护难度较大，常需联系设备厂家维修，测站职工无法解决，无法立即恢复。设备故障导致比测分析工作无法正常开展，此外，维修后需重新比测率定，对投产应用造成影响。

2.3 典型案例分析

自动监测设备流量与人工实测流量达不到1∶1 的关系，需进行率定修正，在不同水位级或流量级率定关系各有差异，分流量级或水位级的方式率定效果更好，能满足规范要求。采用线性回归、分段线性回归方式建立自动监测流量和人工实测流量关系，以高坦站、天长站为例，说明比测分析情况。

2.3.1 高坦站

高坦水文站为山区性河流二类精度站，产汇流时间较短，洪水期水位暴涨暴落，流速大。2017 年11 月引进移动雷达波测流设备。2018—2019 年，共进行了31 次比测，水位变幅18.75～23.7 m，流量变幅74.1～2 130 m3/s，率定关系为Q实= 0.83Q自。

如图2 所示，修正后的雷达波自动流量与人工实测流量关系较好。计算系统误差和随机不确定度，并进行3种检验，结果见表2。从表2 可以看出，高坦站水位为18.75～23.70 m 时，移动雷达波设备比测关系良好，满足精度要求。雷达波系数率定完成后，对系数进行了多次校测，结果见表3，雷达波修正流量与实测流量误差在±5%范围内。

图2 高坦站比测率定关系线

表2 高坦站比测率定关系检验计算表

表3 自动监测与实测流量校测成果表

2.3.2 天长站

天长站为二类精度站，测验河段为人工河槽，河段顺直，断面较稳定。天长站自动测流设备采用垂直式ADCP，利用二线能坡原理施测流量，于2015 年7 月投入运行。至2022年2月，完成流量比测120次，人工实测流量均为转子式流速仪施测，比测水位变幅为5.44～8.80 m，流量区间为3.7～497.0 m3/s。

如图3 所示，采取分段拟合的方式对在线流量进行修正，修正公式如下：

图3 天长站比测率定关系线

计算系统误差和随机不确定度，进行3种检验，结果见表4，定线精度能满足要求，天长站水位变幅为5.44～8.80 m，通过线性修正，在线流量监测数据满足精度要求。

表4 天长站自动测流比测分析检验计算表

3 结论与建议

（1）安徽省通过应用实践，分水位级或流量级对自动流量和人工实测流量进行比测分析，采用线性回归、分段线性回归等方式建立自动流量与实测流量关系，提高了自动测流系统的精度。

（2）从比测结果来看，点流速雷达波适用于流速较大的山区性河流；垂直式ADCP 在人工整治河道、河床较为稳定的河段适用性较好。各种自动监测系统各有其适应条件，并非全量程皆可使用。通过实时质控，大量比测，分段分析的方法，提高监测数据稳定性，增加分析数据量，可有助于找准自动监测系统的适用条件。

（3）通过比测分析，安徽省仍有部分自动测流系统与实测流量建立的关系不能满足精度要求，与比测偏少、设备稳定性差等有一定关系。安徽省在自动测流系统的应用中应注意把握比测时机，加强设备的维护，确保成果可靠有效。本文只对自动流量与人工实测流量进行对比，未考虑安装位置、设备选型、监测模型参数对流量监测的影响，应进一步加强研究。