官良水文站水平式ADCP的流速率定分析

麦梓泳

(广东省水文局肇庆水文分局，广东 肇庆 526000)

在水利行业高速发展的背景下，“数字江河”、“智慧水文”已是水文发展的必然趋势。水文测验对流量测验的自动化、信息化要求也相应提高，水平式ADCP是中国当前最常用的流量自动化监测仪器，具有操作简便、快速高效、稳定可靠等优点，可以在线实时监测河流断面的流速流量过程。传统的水文缆道测流工作量大[2]，效率低，危险性高，难于满足防汛减灾时效性要求。为彻底解决流量测验存在的问题，官良水文站2021年引进一套YD600型水平式ADCP，有助于增强水文测报能力和水文信息服务能力。

1 测站概况

1.1 基本情况

官良水文站于1958年5月郁南县河口镇官良村建立，位于罗定江下游，是罗定江的控制站，断面以上集雨面积为3 164 km2，至河口距离为66 km。该站为搜集水文资料、水文情报预报而设，是国家二类精度水文站，属于国家重要水文站，担负着水位、流量、降水量、蒸发量、泥沙和水质测验任务[3]。

1.2 水文特性[4]

官良水文站测验河段顺直，长约600 m,两岸为红土丘陵，有果林与耕地。测验河段左岸上、下游设有6条70 m长(高程为24.5～25.0 m)的堆石丁字坝，上游1 km有围底河于右岸汇入，4 km有千官水于左岸汇入，5 km有大湾镇狮山高低水发电站；下游600 m有急湾，5 km有佛子坝滚水电站。本站枯水期会出现沙滩、串沟或死水，水位流量关系较为复杂，受上下游电站蓄放水调节影响；中高水水位流量关系为单一曲线或绳套曲线，主要受冲淤变化和洪水涨落率影响。本站历年单断沙为直线关系，关系系数为0.980 0～1.004 0，常年1—3月，11—12月输沙量小于多年平均输沙量的3.0%，可以停测单沙，含沙量作零处理，其余时段按沙量变化测验，由单沙推求断沙。主要水文特征值见表1。

表1 官良水文站主要水文特征值

2 水平式ADCP的应用

2.1 ADCP原理

ADCP是利用声学多普勒效应测流速[5]，通过仪器的换能器向流体中发射一定频率的超声波短脉冲，再测量随水体运动的悬浮粒子反射回的声波，因发射和反射的多普勒频移与流速密切相关，进而测得多普勒频移可推算出被测流体的流速(即是指标流速)。假设水体中的悬浮粒子与水体流速相同，当悬浮粒子的移动方向是接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率强；当悬浮粒子的移动方向是背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率弱，发射频率与回波频率存在差值[6]，差值确定为：

式中：

Fd——声学多普勒频移，kHz；

Fa——回波频率，kHz；

V——悬浮粒子沿声竖方向的移动速度，m/s；

C——声波在水体中的传播速度，m/s。

2.2 水平式ADCP安装及参数指标[7]

2.2.1安装位置

基于河流特性、仪器性能和安装的目的要求，水平式ADCP安装在基本测流断面上游10 m，离右岸断面零桩190 m处 。基本测流断面较稳定，尤其是左岸部分，冲淤变化小，且水平式ADCP安装断面距离基本测流断面较近，经两断面实测资料对比，形状和高程基本一致，所以在率定过程中，水平式ADCP采用基本测流断面参与分析。官良水文站历年大断面见图1所示。

图1 官良水文站历年大断面示意

2.2.2仪器参数

通过仪器试安装调试的回波强度变化(见图2)分析，信号强度随着距离增加逐渐衰减，过程线顺滑，波动较小，基本消除了紊流等因素影响，说明水平式ADCP发射的声波在该范围内传播过程中没有打出水面或碰到障碍物，符合声波在水中传播的一般规律。

图2 官良站ADCP回波分析示意

根据实际需要，对ADCP系统软件的主要参数进行设置：代表流速采样在1～40个单元格范围内选取，采样历时为180 s，采样间隔为300 s，盲区为2.0 m。洪水期间，流速较大，受水流冲击，探头纵摇(以Y为轴旋转)为-1.0°～0.2°横摇(以X为轴旋转)为-0.5°～1.0°。

3 水平式ADCP率定分析

3.1 比测率定及误差分析

比测[7]是流速仪法所测得的断面平均流速V平均(简称平均流速)与水平式ADCP所测得的指标流速V指标进行对比,详细情况见表2。比测率定分析资料的时间段为2021年7月20日～2021年12月2日，共收集了37份率定分析资料，满足《河流流量测验规范》[8]中不少于30个数据点的要求。实测流量变幅为14.6～1 340 m3/s，流速变幅为0.063～1.43 m/s，水位变幅24.82～29.71 m。

表2 流速仪法与水平式ADCP法流速对比

图4 官良站水平式ADCP指标流速与断面平均流速关系示意

检验回归关系的显著性方法通常有4种：随机不确定度检验、符号检验、适线检验和偏离数值检验。检验结果不满足《水文资料整编规范》(SL24/T247—2020)中的随机不确定度检验要求[11]。经过数据检查分析，发现低水期上游大湾镇狮山电站蓄水发电调节会导致低水测点相对误差较大。进而舍去这部分测点再进行回归关系检验，检验情况见表3。

表3 断面平均流速与指标流速关系曲线检验

结果：上述3种方法对水位流量关系曲线的检验，均达到规范要求，认为定线正确。

3.2 流量精度对比分析

2021年属于偏枯年份，摘取本年水位变幅大且有完整洪水过程的洪水期和具有代表性的平水期进行日平均流量对照分析，平水期时间段选取为2021年8月24日至2021年9月14日，洪水期时间段选取为2021年10月9日至2021年10月18日。其中，平水期的日平均水位为24.98 m，水平式ADCP所测的流量比流速仪所测的流量偏大，绝对误差平均值为-2.1 m3/s，相对误差平均为-6.2%；洪水期的日平均水位为26.09 m，绝对误差平均值为14 m3/s，相对误差平均为4.4%。

由图5、图6可知，水平式ADCP与常规推流的逐日平均流量与水位过程线峰谷相互呼应，涨幅趋势一致，充分呈现两组流量变化过程与水位过程线性相似，说明V指标～V平均相关关系良好，具有连续性和代表性。

图5 平水期日平均水位流量过程线示意

图6 洪水期日平均水位流量过程线示意

4 结语