小河坝水文站h-凯发国际一触即发

期刊菜单

小河坝水文站h-adcp测验精度分析研究
analysis of h-adcp test accuracy at xiaoheba hydrological station

doi: , , html, ,
作者: 罗昌军, 陈思来, ：长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆
关键词: ；；；；；；；；；

摘要: 为了适应水文现代化要求，积极推进水文现代化建设，加快新技术新仪器投产使用，实现流量自动化实时测验，小河坝水文站投产使用h-adcp流量测验设备，实现了流量自动化监测，通过近几年的数据对比分析，系统误差、标准差都满足规范要求，数据稳定，精度可靠，达到了流量报讯要求。

abstract: in order to meet the requirements of hydrological modernization, actively promote the modernization of hydrology, speed up the use of new technologies and new instruments, and realize the automatic real-time test of flow, xiaoheba hydrological station has put into operation the use of h-adcp flow test equipment to realize automatic flow monitoring, through the data comparison analysis in recent years, system error, standard deviation meet specification requirements, data stability, reliable accuracy, meet the flow dispatch requirements.

文章引用：罗昌军, 陈思来, 邓朝. 小河坝水文站h-adcp测验精度分析研究[j]. 环境保护前沿, 2024, 14(5): 1173-1180.

1. 引言

h-adcp (horizontal acoustic doppler current profiler)是用于河流或明渠流速、流量在线监测的声学多普勒仪器。h-adcp通常侧向安装在岸壁或桥墩上，其流速测验声束指向水平方向。h-adcp测验仪器可以施测所在水层处水平线上各个单元的流速，同时还配备一个垂向声束，用于测验水位(即超声波水位计)。多普勒测流仪凭借其操作方便、快速高效、稳定可靠等多方面优点，是当前水文测验方法的重要手段。h-adcp是通过测量代表流层的流速，进而推算得到断面流量，简便易于操作，可以在线实时监测河流断面的流速流量过程，适合在水流条件变化急剧复杂或受水利工程影响的水文站进行流量测验。

小河坝水文站受下游2.5 km处潼南航电枢纽工程蓄放水影响，小河坝站所在测流断面处，河道水流形态发生了较大变化，常规的缆道流速仪测验方法已经不能满足流量测验要求，采用h-adcp测验方式，可以达到10分钟采集一次数据，实时监测水流变化过程，自动收集计算河道流量。通过走航式adcp与h-adcp进行流速对比分析，验证了h-adcp数据的稳定性和可靠性，系统误差和标准差都满足规范要求。不同模型的断面流量计算精度也有所不同[1]，水文站上通常利用走航式adcp [2]或者缆道[3]测流进行比测误差分析[4]。

2. h-adcp工作原理

2.1. h-adcp测速原理

h-adcp原理[5]是通过声波换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物(如泥沙、气泡等漂浮物)散射回来的声波。如果反射介质是运动的，其发射频率与回波频率存在差值[6]：

$f_{d} = 2 f_{s} \frac{v}{c}$ (1)

式中：f_d为声学多普勒频移，f_s为发射声波频率，v为颗粒物沿声束方向的移动速度，c为声波在水中的传播速度。adcp既能发射声波又能接受回波，因此多普勒频移加倍[7]。

假定水体中颗粒物与水体流速相同，那么通过(1)计算出的v即水体流速。图1是h-adcp的测速原理示意。

2.2. h-adcp流量计算原理

adcp流量推算原理是利用h-adcp所测得代表流速，见图1，与走航式adcp所测得的断面平均流速建立相关关系，通过推算得到的代表流速与相应水位下大断面面积来计算流量，见图2，这种通过h-adcp实测代表流速间接推求断面流量方式称为代表流速法[8]，基本原理如下：

$q = a \times v$ (2)

$a = f \times (h)$ (3)

$v = f \times (v_{i})$ (4)

式中：q为断面流量，m³/s；a为相应水位下大断面面积，m²；v为断面代表流速，m/s；h为水位或水深，m，v_i为选取的代表流速，m/s。

先率定出代表流速与断面平均流速相关关系后，从h-adcp在线监测数据中提取代表流速计算断面流速，即可推求断面流量，实现流量在线监测。

figure 1. schematic diagram of tachymetry

图1. 测速原理图

figure 2. cross section of xiaoheba hydrology test

图2. 小河坝站水文测验断面图

3. 数据资料整理

根据小河坝站地形情况，小河坝站h-adcp仪器安装方案经过比较分析，选择在基本水尺断面(兼测流断面)的左岸，为了便于采集不同水位级的数据，采用滑道进行安装。经过现场调整，仪器表面水平指向对岸，且与水流方向垂直，仪器倾斜传感器测量的纵、横摇角度确保在小河坝站监测断面代表流速范围内，确保纵、横摇角度与初始采集安装角度值变化在± 0.5˚以内，且通过对安装位置进行标记的方式以确保h-adcp放置在固定位置，安装方式见图3。

根据水情变化过程合理布置流量测次，同时根据水位变幅适时增加比测测次，走航式adcp流量测验过程中，h-adcp同步收集比测资料，一般情况下，除设备维护外，h-adcp每隔10分钟采集一次数据，收集固定测验断面代表流速数据，见图4。

走航式adcp测流具体步骤为：

链接ap软件；

打开并连接串口；

打开测流软件建立测流方案；

进行测流；

整理测流结果。

我们收集了小河坝站2021~2023年3年29次数据，数据成果见表1。

figure 3. h-adcp slide installation diagram

图3. h-adcp滑道安装图

figure 4. h-adcp data acquisition diagram

图4. h-adcp数据采集图

table 1. the results of adcp and h-adcp test

表1. 走航式adcp和h-adcp测验成果表

流量测次	日期	水位(m)	断面平均流速(m/s)	断面面积(m²)	断面流量(m³/s)	h-adcp流速(m/s)
1	2021-8-6 9:13	237.16	1.284	2500	3210	1.760
2	2021-8-6 12:14	236.64	1.596	2350	3750	2.280
3	2021-8-6 17:45	235.98	2.551	2140	5460	3.320
4	2021-8-6 19:36	235.80	2.311	2090	4830	2.980
5	2021-8-7 6:57	235.94	2.323	2170	5040	3.110
6	2021-8-7 11:05	236.28	2.013	2320	4670	2.730
7	2021-8-7 15:17	236.58	1.335	2360	3150	1.820
8	2021-8-7 19:05	237.38	1.237	2530	3130	1.610
9	2021-9-13 15:51	237.10	1.402	2590	3630	1.940
10	2021-9-13 18:51	236.04	2.398	2160	5180	3.180
11	2022-01-09	237.36	0.081	2750	223	0.101
12	2022-02-22	237.31	0.149	2750	411	0.180
13	2022-04-19	237.31	0.128	2750	352	0.173
14	2022-05-23	237.26	0.151	2740	414	0.188
15	2022-07-15	237.2	0.513	2750	1410	0.705
16	2022-08-29	236.51	0.356	2540	904	0.483
17	2022-09-15	237.18	0.168	2700	453	0.218
18	2022-10-11	237.38	0.114	2750	314	0.140
19	2022-12-07	237.22	0.042	2720	114	0.051
20	2022-12-17	237.15	0.024	2700	65	0.026
21	2023-04-28	237.28	0.120	2750	330	0.165
22	2023-07-13	236.91	0.707	2630	1860	0.957
23	2023-07-14	237.28	0.530	2740	1452	0.720
24	2023-07-15	237.43	0.290	2770	804	0.408
25	2023-09-13	237.48	0.410	2750	1128	0.566
26	2023-09-13	237.43	0.364	2750	1000	0.489
27	2023-10-17	237.48	0.220	2760	607	0.281
28	2023-12-06	237.45	0.041	2750	113	0.051
29	2023-12-06	237.45	0.033	2750	91	0.039

4. 数据精度分析

table 2. adcp and h-adcp precision analysis table of test results

表2. 走航式adcp和h-adcp测验成果精度分析表

流量测次	日期	水位(m)	断面平均流速(m/s)	断面面积(m²)	断面流量(m³/s)	h-adcp流速(m/s)	h-adcp率定公式流速(m/s)	率定公式后的断面流速相对误差(%)
1	2021-8-6 9:13	237.16	1.284	2500	3210	1.760	1.323	3.06%
2	2021-8-6 12:14	236.64	1.596	2350	3750	2.280	1.713	7.36%
3	2021-8-6 17:45	235.98	2.551	2140	5460	3.320	2.493	−2.29%
4	2021-8-6 19:36	235.80	2.311	2090	4830	2.980	2.238	−3.15%
5	2021-8-7 6:57	235.94	2.323	2170	5040	3.110	2.336	0.56%
6	2021-8-7 11:05	236.28	2.013	2320	4670	2.730	2.051	1.87%
7	2021-8-7 15:17	236.58	1.335	2360	3150	1.820	1.368	2.52%
8	2021-8-7 19:05	237.38	1.237	2530	3130	1.610	1.211	−2.12%
9	2021-9-13 15:51	237.10	1.402	2590	3630	1.940	1.458	4.05%
10	2021-9-13 18:51	236.04	2.398	2160	5180	3.180	2.388	−0.42%
11	2022-01-09	237.36	0.081	2750	223	0.101	0.079	−1.94%
12	2022-02-22	237.31	0.149	2750	411	0.180	0.139	−7.22%
13	2022-04-19	237.31	0.128	2750	352	0.173	0.133	4.23%
14	2022-05-23	237.26	0.151	2740	414	0.188	0.145	−4.20%
15	2022-07-15	237.2	0.513	2750	1410	0.705	0.532	3.82%
16	2022-08-29	236.51	0.356	2540	904	0.483	0.366	2.80%
17	2022-09-15	237.18	0.168	2700	453	0.218	0.167	−0.37%
18	2022-10-11	237.38	0.114	2750	314	0.140	0.109	−4.83%
19	2022-12-07	237.22	0.042	2720	114	0.051	0.042	−0.14%
20	2022-12-17	237.15	0.024	2700	65	0.026	0.023	−3.36%
21	2023-04-28	237.28	0.120	2750	330	0.165	0.127	6.18%
22	2023-07-13	236.91	0.707	2630	1860	0.957	0.721	1.98%
23	2023-07-14	237.28	0.530	2740	1452	0.720	0.544	2.56%
24	2023-07-15	237.43	0.290	2770	804	0.408	0.310	6.67%
25	2023-09-13	237.48	0.410	2750	1128	0.566	0.428	4.41%
26	2023-09-13	237.43	0.364	2750	1000	0.489	0.370	1.85%
27	2023-10-17	237.48	0.220	2760	607	0.281	0.214	−2.55%
28	2023-12-06	237.45	0.041	2750	113	0.051	0.042	2.29%
29	2023-12-06	237.45	0.033	2750	91	0.039	0.033	−0.18%
系统误差								0.81%
相对标准差								3.56%
随机不确定度								7.12%

我们通过这29次数据，建立走航式adcp和h-adcp流速之间的关系，计算出两种仪器测量结果的误差，分析出h-adcp成果的可靠性。

通过对比分析，h-adcp通过率定公式计算出的流速与断面平均流速吻合性非常高，其系统误差0.81%，相对标准差3.56%，随机不确定度7.12%，见表2和图5，验证了h-adcp数据的稳定性和可靠性，系统误差和标准差都满足规范要求[9]。

figure 5. diagram of the relationship between the flow velocity of h-adcp and the average flow velocity of the section

图5. h-adcp流速与断面平均流速关系图

5. 结论

通过数据分析，总结了一些经验：

1) h-adcp投产使用，可以有效提高流量测验效率，最大限度地减轻外业劳动强度，节省人力物力，进一步推动水文信息化、智能化的发展。

2) h-adcp相较于传统缆道测流和走航式adcp测流，可以全时段、复杂水情[10] [11]等情况下进行监测。

3) h-adcp在高水时测流安全性上有着很大的提高。

4) h-adcp灵敏度非常高，对安装的要求非常严格，要保证横摇、纵摇的角度不变，否则会影响测验精度。

5) 由于受潼南航电枢纽蓄水影响，小河坝站在小流量的情况下，流量关系紊乱，所以应该加强低流量下走航式adcp监测频率，用于数据对比，保证h-adcp数据稳定可靠。

参考文献

[1]	潘道宏, 辛朋磊, 夏飞, 等. 基于机器学习模型的平原水网区h-adcp流量测算精度比较研究[j/ol]. 水利水电快报, 1-9. , 2024-09-22.
[2]	李昂, 黄琨, 张晨旭, 等. 草堰水文站h-adcp流量测验比测分析[j]. 陕西水利, 2024(4): 38-40.
[3]	赵义峰. 水文站h-adcp流量测验比测误差分析[j]. 河南水利与南水北调, 2023, 52(9): 62-63.
[4]	张院. 阜宁(射)站h-adcp流量测验比测误差分析[j]. 中国水运(下半月), 2022, 22(2): 109-111.
[5]	魏伟. h-adcp安装方式应用介绍[j]. 科技创新导报, 2009, 6(33): 178-179.
[6]	陈琳, 陆欣华. adcp测量技术在长江口深水航道治理工程中的应用[j]. 水运工程, 2000, 24(12): 62-66.
[7]	水利部长江水利委员会水文局. sl337-2006声学多普勒流量测验规范[s]. 武汉: 中国水利水电出版社, 2006.
[8]	王丁坤, 席占平, 刘月. adcp在小浪底水文站流量测验中的可行性研究[j]. 人民黄河, 2005, 27(8): 22-23.
[9]	王俊, 刘东生, 陈松生, 魏进春. 河流流量测验误差的理论与实践[m]. 武汉: 长江出版社, 2017: 310-317.
[10]	刘墨阳, 蒋四维, 林云发, 等. 复杂水情下h-adcp流量在线监测推流方法[j]. 水利水电科技进展, 2022, 42(2): 27-34.
[11]	杜耀东, 宋星原, 王俊. h-adcp在复杂环境下的应用[j]. 人民长江, 2008, 39(3): 57-59.

为你推荐

凯发国际一触即发的友情链接