梧州水文站水平式双探头ADCP在线测流系统比测分析_朱金露.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）1测站情况1.1测站基本情况梧州水文站于1900年1月由原梧州海关设立，测验断面几经迁移，现在位于梧州市塘源路，是珠江流域西江水系西江干流的重要控制站，属于国家重要水文测站。隶属关系虽几经变迁，但资料保持连续完整，是西江干流上水文资料系列最长的水文站之一。梧州水文站集水面积327 006 km2，占西江流域集水面积的94.6%，控制了广西境内85%的来水。1.2测验断面情况测验河段顺直，水流集中，基本水尺断面兼流速仪测流断面上游约2 km是干流浔江与支流桂江交汇处，下游约0.15 km处是云龙大桥，下游约4 km有系龙洲小岛。断面无漫滩、岔流、串沟回流及死水情况，河床由砂砾石、细沙组成，左岸为混凝土防洪堤及防洪堤外景观带，右岸为混凝土观测码头，断面右侧有一岩质深潭，最深处河底高程-26.03 m，左侧为沙质河床，略有冲淤，水面宽在550650 m之间。无水生植物，右岸护坡时有低杆植物，但不影响测验精度。基本水尺及自记水位台均设在右岸，当以干流浔江来水为主时，中泓居右，以支流桂江来水为主时中泓居左。受上游约15 km的长洲水利枢纽工程的调蓄、发电、泄洪等影响，梧州水文站中低水的水位陡涨陡落、流量变化急剧。1.3测站水文特征梧州水文站主水源来自红水河、柳江、郁江和桂江等，暴雨洪水多出现在68月。由于流域广，地形复杂，地质、植被多变，导致洪水发生的频率高，洪水具有峰高、量大、历时长的特点，洪水过程以复式峰为主，一次较大的洪水过程一般历时340 d。水位流量关系主要受洪水涨落影响，洪水时附加比降的产生引起流速的变化，继而导致流量的增减明显，涨水时水位流量关系点子偏右，落水时水位流量关系点子偏左，峰谷点子则居中，依时序先后连接各点子，呈以峰谷为轴的逆时针方向的绳套曲线。单峰为单套，复式峰为复式套。年最大场洪水的洪量平均值一般占年径流量的27%，最高可达48%。2仪器设备情况2.1仪器引进的目的梧州是全国首批25个重点防洪城市之一，历年来的防汛抗洪任务繁重，防汛形势极为严峻。作为收稿日期2022-12-12作者简介朱金露（1983-），女，广西藤县人，梧州水文中心站助理工程师，主要从事水文与水资源测报工作。新技术研究与应用 梧州水文站水平式双探头ADCP在线测流系统比测分析朱金露（梧州水文中心梧州水文中心站，广西梧州543002）摘要梧州是全国首批25个重点防洪城市之一，历年来防洪任务繁重，防汛形势极为严峻。梧州水文站使用测船在高洪水位进行流量测验时存在一定安全风险。为确保测验安全，减少工作强度，提高信息采集自动化和测报能力，在梧州水文站开展水平式双探头ADCP流速与断面平均流速（走航式ADCP）进行同步比测率定分析，精度符合规范要求，在线测量数据满足现实使用要求。关键词水平式双探头ADCP;流速率定；流量对比；梧州水文站中图分类号P332；P335文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0009-049DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.030朱金露:梧州水文站水平式双探头ADCP在线测流系统比测分析防汛抗洪的“前哨”，梧州水文站使用测船在高洪水位进行流量测验时存在一定安全风险，且梧州水文站洪水期一般采用连时序绳套曲线法推流，此法要求流量测次较多，并能控制水位流量关系变化的转折点，方能真实地反映流量随水位变化的过程；而在日常的水文资料整编过程中，还需要人工输入节点进行定线，用插值法来推算流量和进行其他计算，这种方法不仅工作量大，而且在许多环节中造成一定的误差。为确保测验安全，减少工作强度，提高信息采集自动化和测报能力现代化水平，准确推算年径流量，并为最严格水资源管理考核提供可靠依据，故引进水平式ADCP进行在线监测。由于梧州水文站测验河段水流形态复杂，水位变幅大，此前曾在基本水尺断面右岸安装过单个水平式ADCP进行在线监测，但由于受仪器测量最大距离及测流断面上该区域水流紊乱，存在紊流和回流，代表性不佳，且在以支流桂江来水为主时往往效果也不理想，为了提高代表性，因此购买了 2 台 ChannelMaster型600 kHz水平式声学多普勒流速剖面仪（简称CM型600 kHz H-ADCP）安装在断面下游的云龙大桥桥墩上进行在线流量监测。2.2仪器测流原理与性能声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是目前世界上最先进的流量实时测验仪器之一，它是利用向水中发射超声波束，由随水移动的悬浮颗粒反射，发生多普勒频移的物理原理，通过高分辨的仪器接收、解算返回波束频率的差别得到瞬时的流速、流量。CM型600 kHz H-ADCP技术参数：流速剖面测量（宽带模式）：测层数1128；测面0.590 m；第一层起始点120 m；准确度（层厚=1/2最大值）为实测流速的0.5%，0.2 cm/s；分辨率0.1 cm/s；流速范围5 m/s典型，20 m/s最大。换能器：波束数2；波束与中心线夹角20；波束宽1.5。标准传感器：声学传感器量程0.110 m；准确度0.1%，3mm；分辨率 0.01 cm。压力传感器量程 0.110m；准确度0.5%；分辨率0.1 cm。温度传感器量程-440；准确度0.2；分辨率0.01。通讯：内存记录4M；波特率300115，200 bps。3仪器安装与比测分析3.1仪器安装及取样单元设置仪器安装在云龙大桥主桥墩（即2号桥墩，右）及4号桥墩（左）下游侧，距基本水尺断面166 m（基下166 m）。仪器安装起点距为157.9 m（右）、329.6m（左），高程为0.03 m（右）、0.03 m（左）（见图1）。仪器安装完成后，用仪器的诊断功能来判断换能器发出的波束在水下的情况，通过对波束强度的诊断，可得到仪器在现有的环境下，能达到的有效测量距离。根据这个距离，可以对ADCP的测量范围和剖面进行合理的设置。根据现场诊断图回波有效情况，设置右探头盲区2 m、波束测量单元数量20、单元尺寸440 cm，采样间隔5 min，采样时间100s；设置左探头盲区1 m、波束测量单元数量20、单元尺寸440 cm，采样间隔5 min，采样时间100 s。图1梧州水文站水平式双探头ADCP安装位置示意图3.2仪器运行情况仪器于2022年3月14日完成安装调试。6月25日，因左探头传输电缆线被漂浮物挂折，数据开始偶尔出现异常，至7月8日开始异常数值频繁出现，8月16日更换左探头传输电缆线。6月23日14：45至6月24日05：25洪水退水期间，受含沙量大影响（约大于1 kg/m3），单元层610层测速数据质量受到不同程度影响。3.3流量比测分析情况比测采用走航式ADCP在基本水尺断面上进行流量测验，根据不同水位变化择机进行，测验严格执行相关规范要求，每次测验后及时对流量进行整理分析，并与同时段内的ADCP在线数据进行比较。根据测验情况和水平式双探头ADCP的运行情况，资料比测时间2022年3月15日至2022年7月6日、2022年8月17日至2022年9月13日，比测期间历经西江当年4次编号洪水，收集到了比较完整的有代表性的资料系列，在全年水位、流量、含沙量的变幅内和各种洪水过程都有比较充分的比测资料。本次比测期间实际收集了56份比测成果，实测最低水位 2.88 m，最高水位 22.27 m，水位变幅为 19.39m，占梧州水文站历年实测最大水位变幅（最高水位27.80 m，最低水位1.38 m）的73.4%；实测平均流速为0.311.89 m/s。资料摘取根据走航式ADCP测10广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）流起止时间摘录相应时间内ADCP110单元所测流速的算术平均值作为左、右探头的指标流速（即V左、V右），断面的指标流速分两种方法计算：第一种按左、右探头的指标流速算术平均值计算（即V1=（V右+V左）/2）；第二种按右探指标流速头0.66+左探头指标流速0.34 计算（即 V2=0.66 V右+0.34V左）。以走航式ADCP的实测平均流速Vm（走航式ADCP流量除以测时水平式双探头 ADCP 断面面积）与ADCP的断面指标流速V1或V2组成样本进行相关关系分析，并进行精度分析，结果见表1。表1不同方案相关关系线的分析统计表方案12345678指标流速V1V2V1V2V1V2V1V2率定公式Vm=0.8 414V1+0.0 272Vm=0.8 207V2+0.0 276Vm=0.0 864V12+0.6 151 V1+0.1 513Vm=0.0 581V22+0.6 633 V2+0.1 174Vm=0.8 909 V10.9 177Vm=0.8 653V20.9 322Vm=0.5 297 V1+0.0 306Z+0.0 628Vm=0.5 348 V2+0.0 287Z+0.0 620相关系数0.9 7490.9 7830.9 7750.9 7960.9 8310.9 8650.9 9310.9 933标准差0.0 6640.0 6100.0 6250.0 5910.0 7010.0 6330.0 3480.0 344由表1可知，采用多元回归方法的方案7和方案8的综合各项指标最优。分别对两个方案率定的回归方程计算得到的断面平均流速乘以断面面积得到断面流量，同实测流量对比进行关系曲线三种检验，以确定率定的曲线是否正确可行。通过计算，结果见表2。表23种检验结果统计表方案78符号检验/u0.270.13适线检验/u0.670.27偏离数值检验/t0.290.18标准差/%2.592.56随机不确定度/%5.185.12系统误差/%0.100.06最大相对误差/%7.76-6.54最小相对误差/%00相对误差4%的占比/%92.991.1由表2可知，两种方案计算所得结果均符合 水文资料整编规范（SL/T 247-2020）中一类精度站的定线精度要求（符号检验u=1.15，适线检验u=1.28，偏离数值检验t=1.35，随机误差8%，系统误差1%），使用方案8的率定成果计算出的各项指标更优。3.4流量模型效果分析点绘2022年4月1日至6月30日的以临时曲线法和绳套曲线法进行推流的瞬时水位流量过程线和水平式双探头ADCP每5 min指标流速用多元回归 方 程 Vm=0.5 348V指+0.0 287 Z+0.0 620（V指=0.66V右+0.34V左）计算出断面平均流速乘以当时水位对应的水道断面面积计算出流量的连实测流量过程线（见图2），并用两种方法进行流量整编，所得数据以关系线法数据为基准值进行流量对比，46月逐日平均流量误差分析统计见表3，46月流量特征值对照分析见表4。图2瞬时水位流量过程线与双探头ADCP连实测流量过程线图由图2可知，水位流量关系线法推流过程线与双ADCP连实测流量过程线趋势一致，基本重合，双ADCP连实测流量过程线波动明显。表346月逐日平均流量误差分析统计表月份456最大误差/%-10.1-7.25.4最小误差/%-0.500相对误差5%的合格率/%33.393.396.7相对误差8%的合格率/%73.3100100相对误差11%的合格率/%100100100表446月流量特征值对照分析表流量特征值关系线流量/（m3/s）双ADCP流量/（m3/s）相对误差/%4月平均50104730-5.6最大890093304.8最小29802860-4.05月平均13 20013 000-1.5最大26 00026 2000.8最小70906370-10.26月平均26 00026 0000最大35 20035 7001.4最小12 50011 900-4.811朱金露:梧州水文站水平式双探头ADCP在线测流系统比测分析由表3可知，双ADCP连实测流量过程线法与水位流量关系线法推求的46月逐日平均流量误差11%的合格率为100%，两种方法推求的流量值基本一致。由表4可知，用双ADCP连实测流量过程线法与水位流量关系线法推求的46月特征流量值相差不大，月平均流量相对误差最大值为4月份的-5.6%，月最大流量及月最小流量均为双ADCP连实测流量过程线法推求的流量值，这可能是由于走航式ADCP测流时机把握不佳和人工定线存在主观性，以及水平式ADCP的实时监测受水流脉动的影响容易产生波动造成。总体看，认为双ADCP在线监测数据可用于推流整编。4存在问题与建议（1）由于水平式ADCP安装在桥墩上，其中右探头所采集的数据区间刚好是西江航运的主航道，往来商船较多，左探头所采集的数据区间也偶有商船经过，多数商船的吃水深度在4 m左右，故当水位低于4.00 m，ADCP探头采集数据时间内有商船经过时，会对数据产生一定影响。（2）探头至数采箱间的传输线距离过长，比较容易出现问题。（3）本次率定的56份比测样本，实测最低水位2.88 m，最高水位22.27 m，而梧州水文站历史最高洪水位为27.80 m，最低水位为1.38 m，在水位低于2.88 m高于22.27 m时，继续补充比测资料。（4）H-ADCP采用内部声学水位计及内部压力水位计记录的水位值与本站目前采用浮子水位计记录的水位值存在一定的误差，不方便资料整编，建议直接采用本站浮子水位计记录的水位值。5结论通过以上分析可知，样本单次比测数据代表性较高，达到国家基本站流量测验精度，比测数组满足分析需要，比测分析合理，各项指标满足现行规范要求，满足推算水量的要求，因此，双ADCP在线监测数据可用于推流整编。（责任编辑：窦波元）Comparative measurement analysis of horizontal dual-probe ADCPon-line flow measuring system at Wuzhou Hydrological Central StationZHU Jin-lu(Wuzhou Hydrological Central Station,Hydrology Center of Wuzhou City,Nanning 543002,China)Abstract:As one of the first 25 key flood control cities in China,Wuzhou has been undertaking heavy flood protection tasks over the years under extremely serious flood situation.There exists certain safety risk when flow measuring vessel is used at high flood level.In order to ensure measurement safety and reduce work load,improve the capability of automatic information acquisition,measuring and forecasting,flow velocity measuring by horizontal dual-probe ADCP and sectional average flow velocity measuring by navigable vessel-mounted ADCP were conductedsynchronously at Wuzhou Hydrological Central Station.The results of comparative measurement and calibrationanalysis demonstrate the accuracy conforms to the stipulations of specification,and the on-line measuring data satisfy the practical utilization requirements.Key words:Horizontal dual-probe ADCP,flow velocity calibration;flow comparison;Wuzhou Hydrological CentralStation12