水文站H-ADCP流量测验比测误差分析

赵义峰

（伊犁水文勘测局，新疆 伊宁 835000）

1 测站概况

新疆某水文测站水文站于1986 年建立，为国家基本水文站，建站后一直采用水文缆道流速仪进行水文要素监测。为加快新疆地区水文现代化建设进程，优化当前传统的水位测验和资料整编方式，测站于2020年5月完成H-ADCP测流设备安装及调试，随后进入比测阶段。

2 比测方案

2.1 测流设备

采用美国RDI 公司产600 kHz 的H-ADCP 测流设备和流速仪法同步测流，并比较流量、流速及断面面积等测值，分析测流误差。以设置在缆道断面上游5 m处、且与河道左岸垂直建设的栈桥为H-ADCP测流断面平台，H-ADCP测流设备水平安装，安装高度为-0.75 m，最大测距可达到90 m。岸坡系数陡岸为0.80、斜坡为0.70；水深修正统一采用River Depth Source 软件中的Composite（VB）工具；幂函数指数则以流量测量质量控制软件所推荐的值为准；固定声速取1 450 m/s。H-ADCP 测流设备按照10 s 时间间隔采集连续测验瞬时单元流速数据，5 s间隔采集水位数据，对流速数据和水位数据分别进行300 s时段和180 s时段的滤波平滑处理。该测流设备测值的算数平均值和流速仪常测法测值相比，相对误差应控制在±5%以内，比测随机不确定度应控制在6%以下，系统误差不得超出±1%。

2.2 代表流速和断面流速均值关系率定

该测站H-ADCP 代表流速和水文缆道流速仪施测断面流速之间的关系可表示如下：

式中：V—水文缆道流速仪施测断面流速均值，m/s；K—断面流速均值系数；VCP—代表流速，m/s。

H-ADCP 测流设备及配套软件处理范围可具体到具体测速垂线的具体测点流速，结合断面流速实际分布、测流设备安装高程处待测河宽、单元尺寸划分情况，进行代表流速单元流速区间的分析计算，以最终确定不同区间内代表性流速计算样本。该测站代表流速选择起点距35.50 m、终点距72.50 m的实测单元流速区间流速。

基于流速仪常测法施测断面流速均值，在对原始数据展开审查分析后将因水草覆盖、行船等原因所造成的误差较大的8个测点数据剔除后，针对所剩余的35 个测点有效数据进行该测站代表流速和断面流速均值关系的率定分析。通过H-ADCP 测流系统率定软件得出该测站实测断面流速均值和代表流速的关系式，即：V=0.911·VCP。

3 比测误差分析

该测站于2020年6月至次年10月汛期实施测流缆道流速仪和H-ADCP同步测验，施测断面流量和流速共43次，其中11个测次因行船、水草等外部因素的干扰，数据存在畸变现象，故未参与流量测验比测误差分析。以其余32组比测资料展开该测站H-ADCP流量流速相关关系确定及比测分析。根据测流结果，测站水位在1 999.41～2 003.08 m 区间变化，实测流量则在261～1 250 m3/s范围变化。

3.1 比测资料误差

该测站水文缆道流速仪施测断面与H-ADCP 测流断面相距较近，且不存在冲淤变化，两个测流断面情况较为接近。水文缆道流速仪施测过程中共设置8条测速垂线，每条测速垂线均位于0.20 m 和0.80 m 的相对水深处施测，具体测流方案依据测站测流任务书所规定的流速仪常测法操作规定，以保证比测精度。

3.2 测流误差分析

3.2.1 流量比测分析

水文缆道流速仪所测流量与H-ADCP 断面流量之间的误差具体见表1，表中Q0、Q1分别为流速仪实测流量和H-ADCP实测流量；A0、A1分别为测深铅鱼实测断面面积和H-ADCP 断面面积；V0、V1分别为流速仪实测流速均值和H-ADCP 实测流速均值。根据表1所列32次比测结果，流量相对误差不超出正负5%，系统误差0.71%，标准差2.09%，不确定度3.97%，完全满足《河流流量测验规范》对水文比测结果随机不确定度不得超出6%、系统误差不超出±1%的具体要求。

表1 水文缆道流速仪法与H-ADCP所测断面流量误差表

将水文缆道流速仪实测流量设为纵坐标，将H-ADCP实测流量设为横坐标，通过构建Q0～ Q1相关关系发现，两者相关系数达到0.997 3，拟合度很高，相关关系可表示为：

3.2.2 断面面积分析

根据表1中检测结果，32次比测断面面积之间的相对误差不超出5%，系统误差为-0.01%。将测深铅鱼面积值设为纵坐标，将H-ADCP实测断面面积设为横坐标，构建A0～A1相关关系曲线，两者相关系数取0.998 4，拟合度较高，相关关系表示如下：

3.2.3 流速比测分析

根据分析，H-ADCP测流仪器安装位置起点距之间流速较为稳定，在综合考虑水文缆道流速仪测速垂线设置位置的基础上，通过分析代表流速计算单元的流速区间选用情况看出，测站H-ADCP流速相关关系线具有较高的定线精度。

结合比测资料进行垂线流速均值计算，采用与H-ADCP相同的流速计算区间率定出的水文缆道流速仪法及H-ADCP的流速系数分别为0.87 和0.91；根据不同测次流速均值，进行实测流速和断面流速均值误差的对比。

4 结论

综上所述，该测站属于汛期站，测流时段相对固定，河段同时属于通航河段，船行波对水流流速及流量存在一定程度的影响，对于汛期行洪的情况下，也容易受到河道内水草的覆盖和干扰。为保证该测站H-ADCP测流结果的准确性，必须严格按照规范要求展开日常单断关系检测，并在H-ADCP指标流速产出设计率定范围时，保证比测和校测过程的持续进行，提升其单断关系线应用范围和测流精度。