林镇水文站电波流速仪系数分析

王敬争

（安徽省六安水文水资源局,安徽 六安 237000）

1 基本情况

林镇水文站位于淮河水系西汲河控制站,地处安徽省六安市裕安区固镇镇,控制流域面积864 km2,系安徽省防汛专用站, 2015 年设站。该站流量测验利用固镇大桥进行桥测,电波流速仪测流断面位于固镇大桥上游侧,固定垂线（垂线位置在桥上做标记）施测流量。走航式ADCP 测验断面位于大桥下游侧,在桥上拖拽ADCP 渡河施测流量。该站测验河段较为顺直,河槽为单一式河床,中低水水面宽在50 m～70 m,高水时水面宽达110 m；主流位于起点距40 m～60 m 之间。该站自建站以来实测最高水位27.83 m,实测最大流量715 m3/s（相应水位27.44 m）。

按照电波流速仪和走航式ADCP 的技术参数和使用要求,在该站测验河段进行手持式电波流速仪和走航式ADCP 比测分析满足要求。手持式电波流速仪采用美国ACI 公司生产的Stalker ⅡSVR（斯德克电波流速仪）,主要技术指标：架设高度≤100 m（距水面垂直高度）,测速范围0.20 m/s～18.0 m/s,可用于高水期间测量水面流速,顺逆流速均可实测；走航式ADCP 采用美国TRDI 公司生产的RiverRay ADCP（瑞智）,该仪器于投产之前已做适应性比测分析,成果合格。两种仪器均满足电波流速仪系数率定的测验要求。

2 比测情况

测验河段的选择、仪器设备的操作使用以及测验方法均按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）执行。施测期间电波流速仪在大桥上游侧固定垂线位置按照俯角小于45°迎水施测水面流速,大断面采用当年实测值,流量计算时流速按照实测数值不加改正系数求得虚流量值。走航式ADCP测验断面位于大桥下游侧,人工拖拽渡河,流量采用实测数值。施测流量使用的大桥宽9 m,两种方法施测位置较近,且期间无外水加入,故系统误差可以忽略。

3 比测资料的选用

2020 年该站河段发生建站以来最大洪水,因而选用该年份的实测资料能够控制断面的水位变幅,同时考虑到电波流速仪的使用范围,因而选用2020 年水位在21.00 m 以上平均流速大于0.5 m/s 的实测资料进行分析。水位变幅由21.28 m～27.44 m,变幅6.16 m,流量由87.5 m3/s～905 m3/s。林镇站实测流量成果表见表1。

表1 林镇站实测流量表

4 分析方法

为了保证分析成果的准确性和通用性,在分析样本中选用走航式ADCP 测法系列和电波流速仪测法系列分别定出水位流量关系线,并进行检验,检验合格后以走航式ADCP 测法对应的实测水位分别在对应的水位流量关系线上查读对应的流量,以各相关流量点据建立线性回归方程计算两系列的线性相关系数,率定电波流速仪的系数[1]。

5 系数率定

5.1 水位流量关系线

分别用走航式ADCP 测法系列和电波流速仪测法系列在同一坐标下定出水位流量关系线,并进行检验（电波流速仪测法测次数为5 次,按规范规定不进行检验）,见表2。

表2 林镇站走航式ADCP 测法水位流量关系线检验表

由表2 可知走航式ADCP 测法所定的水位流量关系各项检验合格,可用以推流。

5.2 线性回归分析

在日常生产中,电波流速仪所测的计算有两种计算方法,一是以电波流速仪测得的虚流量乘以流量系数所得；另一种是以电波流速以所测的各垂线的虚流量分别乘以流速系数所得。本文对于两种计算方法分别予以分析[2]。

5.2.1 以查得流量进行线性回归分析

查读各测次水位在水位流量关系线上对应的流量值,以走航式ADCP 流量线上查读的流量数值作为横坐标,电波流速仪流量线上查读的流量数值作为纵坐标点绘各点据,然后进行回归分析,得出电波流速仪流量系数。

通过建立相关关系,经线性回归分析得出理论方程：y=0.7888 x（y 为走航式ADCP 线性理论流量值,x 为电波流速仪实测流量值）,用该方程对电波流速仪实测的虚流量数据进行转换所得数据即为走航式ADCP 线性理论流量值,相关系数R2=0.9957,见图1。相关系数R2=0.9957＞0.8,说明走航式ADCP 所测流量与电波流速仪测得流量相关度密切。电波流速仪流量系数为0.79。

图1 ADCP 测法与电波流速仪测法流量相关关系图

5.2.2 以查得平均流速进行线性回归分析

查读各测次水位在水位流量关系线上对应的流量值除以对应面积最为测次平均流速,以走航式ADCP 流量线上查读计算的平均流速作为横坐标,电波流速仪流量线上查读计算的平均流速作为纵坐标点绘各点据,查读数据见表3,然后进行回归分析,得出电波流速仪流速系数。

通过建立相关关系,经线性回归分析得出理论方程：y=0.7768 x（y 为走航式ADCP 线性理论平均流速值；x 为电波流速仪实测平均流速值）,用该方程对电波流速仪实测的虚流速数据进行转换所得数据即为走航式ADCP 线性理论流量值,相关系数R2=0.9561,见图2。相关系数R2=0.9561＞0.8,说明走航式ADCP 所测流量与电波流速仪测得流量相关度密切。电波流速仪流速系数为0.78。

图2 ADCP 测法与电波流速仪测法平均流速相关关系图

6 合理性检查

（1）用流量系数0.79 对电波流速仪测得的虚流量进行换算所得的流量系列相对误差为1.8%,标准差为3.7%,随机不确定度为7.4%,系统误差为1.8%,满足要求。

（2）用流速系数0.78 对电波流速仪测得的虚流速进行转换所得的流速系列相对误差为0.46%,标准差为2.9%,随机不确定度为5.8%,系统误差为0.4%,满足要求。

7 结语

通过系数率定分析可以得出电波流速仪与走航式ADCP所测流量相关关系的回归方程为,呈线性关系,可直接用此方程推求电波流速仪所测的流量；电波流速仪与走航式ADCP 所测流速相关关系的回归方程为,呈线性关系,可用此方程推求电波流速仪所测的垂线平均流速。可以解决手持式电波流速仪在林镇水文站21.00 m 以上水位级系数计算的问题,提高测验精度,为防洪抢险赢得宝贵时间。