張國(guó)學(xué) 史東華 馮能操

摘要： 河道斷面流量準(zhǔn)確、高效監(jiān)測(cè)一直是水文在線監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，為解決因斷面流速分布數(shù)據(jù)收集難度大，指標(biāo)流速公式建模困難，現(xiàn)有在線測(cè)流技術(shù)普遍存在流量計(jì)算誤差偏大的問(wèn)題，提出了一種基于H-ADCP河道斷面多層流速測(cè)量方法，并結(jié)合部分流量累加法給出了測(cè)量區(qū)和盲區(qū)的流量計(jì)算公式，以及基于此法的在線測(cè)流系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。以南水北調(diào)中線渠首陶岔水文站測(cè)驗(yàn)斷面為例，將基于此法的流量計(jì)算成果和走航式ADCP實(shí)測(cè)流量成果進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明：此法構(gòu)建的在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較高的測(cè)量精度，時(shí)效性好，對(duì)H-ADCP流量在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用推廣有較好的借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞： H-ADCP; 多層流速測(cè)量; 斷面流量計(jì)算; 陶岔水文站; 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號(hào)： ?P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.012

0 引 言

流量在線監(jiān)測(cè)是水文現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)[1-2]，當(dāng)前大多數(shù)在線監(jiān)測(cè)方法是基于指標(biāo)流速法來(lái)監(jiān)測(cè)的，即通過(guò)收集大量斷面流速分布資料，建立斷面平均流速與實(shí)時(shí)施測(cè)的特定點(diǎn)、特定水層、特定垂線的流速的函數(shù)關(guān)系式來(lái)推算斷面流量，實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)[3]。此方法假定實(shí)測(cè)代表流速與斷面平均流速有穩(wěn)定明確的函數(shù)關(guān)系，在函數(shù)構(gòu)建過(guò)程中有兩個(gè)難點(diǎn)，一是代表流速選擇較為困難;二是代表流速與斷面平均流速之間的函數(shù)關(guān)系式構(gòu)建較為困難，最終導(dǎo)致算出的在線流量與流速儀法測(cè)量結(jié)果相比有較大誤差。因此，流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行前，需要開(kāi)展大量的比測(cè)試驗(yàn)，對(duì)函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行修訂、驗(yàn)證[4-5]。另外河床沖淤變化也會(huì)引起斷面水流特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致代表流速與斷面平均流速之間的函數(shù)關(guān)系式不穩(wěn)定[6]。

本文提出了一種H-ADCP的河道斷面多層流速測(cè)量方法和斷面流量計(jì)算方法，對(duì)斷面部分流量權(quán)重大的區(qū)域進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)測(cè)量盲區(qū)部分進(jìn)行合理估計(jì)，規(guī)避了指標(biāo)流速法函數(shù)關(guān)系建立困難的問(wèn)題，提高了測(cè)驗(yàn)精度，同時(shí)本文還介紹了基于此方法的在線測(cè)流系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1 H-ADCP河道斷面流速流量測(cè)算原理簡(jiǎn)介

本文引入H-ADCP河道斷面多層流速測(cè)量及斷面流量計(jì)算系統(tǒng)，基于部分流量累加法實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)。此法通過(guò)把過(guò)水?dāng)嗝鎰澐殖扇舾蓚€(gè)測(cè)量單元，分別測(cè)量各個(gè)單元面積Ai和單元平均流速Vi，其中i表示單元序號(hào)，斷面流量Q可表示為

Q= ?n i=1 AiVi （1）

式中：n表示單元總個(gè)數(shù)。

如圖1所示，矩形區(qū)域是H-ADCP可測(cè)量區(qū)域，對(duì)應(yīng)部分流量記作Q測(cè)，其余測(cè)量盲區(qū)記作Q盲，斷面總流量Q可表示為

Q=Q測(cè)+Q盲 （2）

盲區(qū)包括表層區(qū)域、河底區(qū)域、岸邊區(qū)域，對(duì)應(yīng)部分流量分別記作Q表，Q底，Q岸，盲區(qū)部分流量可以用上述流量之和表示，即：

Q盲= Q表+Q底+Q岸 （3）

1.1 實(shí)測(cè)區(qū)部分流量測(cè)算

單元格流速用H-ADCP實(shí)測(cè)獲取。如圖1實(shí)測(cè)區(qū)流量單元格為矩形，單元格的寬度B在H-ADCP中設(shè)定，單元格的高度H取決于H-ADCP分層測(cè)量時(shí)的層間距。

每個(gè)流速單元序號(hào)記作A（i，j），其中i表示水平測(cè)流線序號(hào)，最上層水平線記作1號(hào)線，往下依次遞增;j表示單元格垂向分割線序號(hào)，大斷面起點(diǎn)位置記作第1條垂線，向河對(duì)岸依次遞增。流速單元格A（i，j）為i號(hào)水平線與j 號(hào)垂線交點(diǎn)右下方的單元格。測(cè)量前單元格寬度已經(jīng)預(yù)先設(shè)置，H-ADCP在大斷面上具有確定的位置坐標(biāo)，因此測(cè)得到的各點(diǎn)流速在大斷面上有確定的位置坐標(biāo)。以A（i，j）號(hào)單元格為例，其上邊線上有實(shí)測(cè)流速點(diǎn)v（i，j），下邊線上有實(shí)測(cè)流速v（i+1，j）?？梢杂蒙舷逻吘€上的流速平均值作為單元格流速。

那么單元格A（i，j）部分的流量：Q（i，j）=BH[v（i，j），+v（i+1，j）]/2;

實(shí)測(cè)單元格總流量為

Q測(cè)= ??m-1，n i=1，j=1 Q（i，j） （4）

式中：m表示流速測(cè)量總層數(shù)，n表示每層流速單元格的數(shù)量。

1.2 測(cè)量盲區(qū)部分流量測(cè)算

從圖1可以看出，岸邊以及河底部分并不是規(guī)則的矩形單元格，表層單元格高度小于劃定的單元格，這些單元格實(shí)測(cè)流速點(diǎn)有限，有的甚至沒(méi)有實(shí)測(cè)流速，不能直接用上述方法進(jìn)行部分流量計(jì)算，這些測(cè)量盲區(qū)的流量通過(guò)合理估算得到。以表層部分流量為例進(jìn)行說(shuō)明，岸邊及河底估算方法類似。

1.2.1 表層部分流量計(jì)算

表層與H-ADCP實(shí)測(cè)的最上層距離最近，其平均流速與該實(shí)測(cè)層耦合關(guān)系最密切，可以建立表層部分平均流速V表與H-ADCP實(shí)測(cè)最上層平均流速V1的線性關(guān)系式。

V表=α表V1 （5）

式中：α表表示表層部分平均流速與H-ADCP實(shí)測(cè)最上層平均流速的線性換算系數(shù);

V1通過(guò)H-ADCP實(shí)測(cè)的最上層各點(diǎn)流速取平均獲得，即V1= ??n j=1 v（1，j）/n;

表層部分面積A表可以根據(jù)斷面水位z、H-ADCP測(cè)量最上層的高程h1以及大斷面表計(jì)算獲得，即A表（z，h1），表層部分流量計(jì)算公式如下：

Q表=α表A表（z，h1） ??n j=1 v（1，j）/n （6）

其他盲區(qū)流量計(jì)算方法同理。

1.2.2 盲區(qū)流速換算系數(shù)

流速換算系數(shù)通過(guò)走航式ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到。以H-ADCP表層測(cè)量盲區(qū)為例，在表層盲區(qū)面積A表已知的情況下，先用走航式ADCP測(cè)量出表層盲區(qū)的流量Q表，表層盲區(qū)平均流速可表示為V表=Q表/A表，代入式（5）即可算出表層流速換算系數(shù)α表，其它盲區(qū)流速換算系數(shù)可以參照上述方法求得[7]。也可以從走航式ADCP測(cè)量數(shù)據(jù)中，摘錄該盲區(qū)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)，點(diǎn)個(gè)數(shù)3倍于H-ADCP測(cè)流單元格數(shù)，點(diǎn)均勻分布在盲區(qū)內(nèi)。將這些測(cè)點(diǎn)流速進(jìn)行算術(shù)平均，記作測(cè)量盲區(qū)的平均流速V表，代入式（5）也可算出表層流速換算系數(shù)α表，即

α表=V表/ V1 （7）

其他盲區(qū)流速換算系數(shù)計(jì)算方法同理。

1.2.3 盲區(qū)平均流速綜合換算系數(shù)

分別計(jì)算各個(gè)盲區(qū)流速換算系數(shù)，可以提高在線流量計(jì)算的精度，但是增加了流量計(jì)算的工作量，也增加了相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)難度?？梢詫⒏鱾€(gè)盲區(qū)面積進(jìn)行合并。設(shè)斷面過(guò)水面積為A（z），H-ADCP可測(cè)面積為A測(cè)，盲區(qū)總面積A盲可表示為

A盲= A（z）-A測(cè)

設(shè)走航式ADCP測(cè)量的斷面流量為Q走，且為斷面流量真值，H-ADCP測(cè)量盲區(qū)流量Q盲可表示為

Q盲= Q走-Q測(cè) （8）

盲區(qū)平均流速V盲可表示為

V盲= （Q走-Q測(cè)）/ （A（z）-A測(cè)） （9）

拾取H-ADCP實(shí)測(cè)流速單元周圍各流速點(diǎn)，并求出這些點(diǎn)的流速算術(shù)平均值V周，盲區(qū)平均流速綜合換算系數(shù)α可表示為

α= V盲/ V周 （10）

基于此法斷面總流量Q可表示為

Q=Q測(cè)+αV周（A（z）-A測(cè)） （11）

2 在線流速測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

流速流量測(cè)算系統(tǒng)由斷面多層流速采集子系統(tǒng)和斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)兩部分組成[8]。其中斷面多層流速采集子系統(tǒng)采集水位和斷面各個(gè)點(diǎn)流速，并將各點(diǎn)位置坐標(biāo)一并匯編成點(diǎn)流速報(bào)文，傳遞給斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)，計(jì)算子系統(tǒng)內(nèi)置流量計(jì)算方法和河道斷面信息，根據(jù)接收的流速和水位信息，計(jì)算出斷面流量。

2.1 斷面流速采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

斷面流速采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、水位計(jì)、位置傳感器、H-ADCP、H-ADCP拖動(dòng)設(shè)備等部件組成，各個(gè)部件作用如下。

數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)向水位計(jì)下發(fā)水位采集任務(wù)，收集水位數(shù)據(jù)，并根據(jù)水位情況向H-ADCP及其拖動(dòng)系統(tǒng)布置測(cè)流任務(wù)，收集流速數(shù)據(jù)，最后將收集的水位、流速信息轉(zhuǎn)發(fā)給流量計(jì)算子系統(tǒng)。為了便于系統(tǒng)集成，本系統(tǒng)選用的水位計(jì)、位置傳感器、ADCP拖動(dòng)系統(tǒng)的通信接口都為RS485總線接口，傳感器掛載在數(shù)據(jù)采集器的RS485總線接口上組成測(cè)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部集成4G通信模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，以1幀或多幀的方式將斷面不同單元的流速信息上傳給流速計(jì)算系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器也可以響應(yīng)流速計(jì)算系統(tǒng)遠(yuǎn)程下達(dá)的測(cè)量任務(wù)，并做好工作分解。

水位計(jì)測(cè)量水位，以便計(jì)算斷面過(guò)水面積，斷面流速測(cè)量方案通常由水位的高低確定。視測(cè)流斷面邊坡情況確定水位計(jì)的類型，一般選擇雷達(dá)水位計(jì)或者壓力式水位計(jì)，以穩(wěn)定可靠投資經(jīng)濟(jì)為基本原則。

位置傳感器用于感知H-ADCP的位置，用于定位H-ADCP在大斷面的坐標(biāo)（P，h），P表示H-ADCP的起點(diǎn)距，h表示H-ADCP的高程，H-ADCP駐測(cè)當(dāng)前層流速時(shí)，該層各點(diǎn)流速的高程坐標(biāo)與H-ADCP的高程坐標(biāo)相同，都為h。H-ADCP前方第一個(gè)流速點(diǎn)的坐標(biāo)是（（P+L+B），h），其中L表示H-ADCP前方盲區(qū)寬度，B表示單元格寬度，含義與第1節(jié)相同，同理H-ADCP前方第n個(gè)流速點(diǎn)的坐標(biāo)是（（P+L+nB），h）。系統(tǒng)配備的位置傳感器一般為軸編碼器，由圖2可知：拖動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)鏈條傳動(dòng)，鏈條中部有換向齒輪。位置傳感器的感應(yīng)軸固定在換向齒輪軸上，齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與鏈條走動(dòng)的距離成比例，齒輪的轉(zhuǎn)向與H-ADCP移動(dòng)的方向?qū)?yīng)。安裝初期確定了H-ADCP的初始高程，結(jié)合位置傳感器記錄的位移，就可以推算出H-ADCP當(dāng)前高程。

H-ADCP拖動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)將H-ADCP拖動(dòng)到預(yù)定高程水層，如圖3所示，拖動(dòng)設(shè)備由PLC控制器、伺服電機(jī)控制器、伺服電機(jī)、減速機(jī)、運(yùn)載小車等5部分組成。H-ADCP固定在運(yùn)載小車上，小車在軌道上做直線運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)給小車提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，小車運(yùn)動(dòng)方向、距離等停車位置信息由PLC控制器內(nèi)置程序控制。

數(shù)據(jù)采集器向PLC下發(fā)位置調(diào)整命令后，PLC控制器收悉后向伺服電機(jī)控制器下發(fā)電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，伺服電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中同步向伺服電機(jī)控制器反饋狀態(tài)信號(hào)，如果接收到異常信號(hào)，則關(guān)停伺服電機(jī)，同時(shí)輸出告警信號(hào)，PLC控制器收到告警信號(hào)后，及時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部保護(hù)機(jī)制，向數(shù)據(jù)采集器報(bào)告異常信息（如電機(jī)過(guò)載等），數(shù)據(jù)采集器將收到的異常信息報(bào)送到流量計(jì)算平臺(tái)，以便系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員解除報(bào)警。系統(tǒng)配備減速機(jī)為蝸輪蝸桿減速機(jī)，用以保證運(yùn)載小車以合理的速度運(yùn)行，且當(dāng)電機(jī)關(guān)停后能鎖住運(yùn)載小車，避免因重力作用向下滑動(dòng)。

為了避免運(yùn)行期間H-ADCP位置出現(xiàn)累計(jì)偏差，系統(tǒng)配備了基點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)傳感器，系統(tǒng)每運(yùn)行1 d，PLC控制器驅(qū)動(dòng)運(yùn)載小車運(yùn)行到基點(diǎn)和基點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)傳感器校準(zhǔn)1次，保證H-ADCP位置準(zhǔn)確。

H-ADCP實(shí)現(xiàn)斷面各層各點(diǎn)流速測(cè)量。測(cè)量基于聲學(xué)多普勒頻移原理，傳感器發(fā)射的聲波脈沖遇到移動(dòng)目標(biāo)（水中顆粒物）反射后頻率發(fā)生變化，頻率變化量與移動(dòng)目標(biāo)速度成函數(shù)關(guān)系。假定水中顆粒物與水流速度相等，基于此法確定點(diǎn)流速;發(fā)射聲波脈沖和接收的反射聲波脈沖的時(shí)差與反射點(diǎn)和H-ADCP的距離成函數(shù)關(guān)系，基于此法確定相應(yīng)點(diǎn)的位置。

2.2 斷面流速采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為保證有較高的測(cè)量精度，基于該法測(cè)流需要科學(xué)確定測(cè)流層數(shù)、測(cè)層位置，合理確定H-ADCP運(yùn)行軌道長(zhǎng)度，合理設(shè)置H-ADCP內(nèi)部參數(shù)。

2.2.1 流速測(cè)驗(yàn)層數(shù)和測(cè)層高程的確定

流速測(cè)驗(yàn)層數(shù)和測(cè)層高程直接影響到流量測(cè)驗(yàn)精度，需結(jié)合實(shí)際斷面和當(dāng)前水位情況2個(gè)要素確定。因H-ADCP測(cè)量存在盲區(qū)，斷面流量由實(shí)測(cè)部分流量和盲區(qū)估算部分流量組成，盲區(qū)部分流量估算會(huì)有偏差，為了提高斷面流量測(cè)驗(yàn)精度，實(shí)測(cè)部分面積應(yīng)該盡量大，盡量占斷面過(guò)水面積的70%以上。

基于該方法，H-ADCP依次運(yùn)動(dòng)到各測(cè)層進(jìn)行測(cè)量，每運(yùn)動(dòng)一步（從一個(gè)測(cè)層到下一個(gè)測(cè)層），通常歷時(shí)約30 s，每層測(cè)量歷時(shí)約90 s，以避免水的脈動(dòng)對(duì)測(cè)量成果質(zhì)量的影響。測(cè)量層數(shù)多耗時(shí)就長(zhǎng)，為了兼顧精度和效率，一般最多測(cè)量5層;結(jié)合大斷面情況，層間距可等寬也可以不等寬。也可以借鑒流速儀5點(diǎn)測(cè)流法，通過(guò)斷面當(dāng)前水位，依次計(jì)算出斷面相對(duì)平均水深0.2，0.4，0.6，0.8位置的高程，H-ADCP依次運(yùn)行到上述位置進(jìn)行測(cè)量。

另外，當(dāng)水位很低、H-ADCP可運(yùn)行的距離有限時(shí)，需視具體情況減少測(cè)量層數(shù)，一般最小層寬（測(cè)流單元格高度）不小于0.3 m。

為了減少測(cè)量層數(shù)提高測(cè)量效率也可以單層測(cè)量，單層測(cè)量位置可以用以下方法確定?？刂破黩?qū)動(dòng)程序構(gòu)建前，用走航ADCP或者流速儀法測(cè)量斷面流量，反推斷面平均流速，然后在斷面上尋找測(cè)層平均流速與斷面平均流速最接近的特定層，作為H-ADCP的駐測(cè)層。在捕捉過(guò)程中可能會(huì)有多個(gè)水層和斷面平均流速接近，優(yōu)先選擇距離層流速最大且靠近水面的測(cè)層，因?yàn)檫@樣的測(cè)層有效測(cè)量寬度最大，實(shí)測(cè)流速點(diǎn)最多。當(dāng)水位變化后，這種特定流速層的高程會(huì)發(fā)生變化，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，可以在高水位和低水位分別確定這樣的測(cè)層，依據(jù)這兩個(gè)高程建立水位與H-ADCP駐測(cè)高程的關(guān)系式，以簡(jiǎn)化測(cè)次?；虿捎枚鄬訙y(cè)量與單層測(cè)量相結(jié)合的方式，內(nèi)部程序依據(jù)最新多層測(cè)量結(jié)果確定單層測(cè)量時(shí)H-ADCP駐測(cè)高程[8]。

2.2.2 軌道長(zhǎng)度的確定

軌道長(zhǎng)度取決于可測(cè)最低層高程、可測(cè)最高層高程、岸邊坡度等3個(gè)因素。其中可測(cè)最低層高程和可測(cè)最高層高程應(yīng)根據(jù)斷面情況及斷面多年水位變化特性確定?？蓽y(cè)最高層高程應(yīng)取斷面多年最高水位值減去該水位級(jí)時(shí)H-ADCP最小淹沒(méi)深度（因?yàn)镠-ADCP 測(cè)量時(shí)發(fā)射的聲波波束呈發(fā)散狀，波束中軸距離水面太近，側(cè)瓣波束運(yùn)行一段距離后容易折射出水面，具體與河寬和傳感器的聲束的發(fā)射角有關(guān)）。當(dāng)水位較低時(shí)，為保證最小淹沒(méi)深度，H-ADCP的測(cè)層高程也降低，低到一定程度時(shí)聲波波束側(cè)瓣波束剛抵達(dá)對(duì)岸位置接近觸底，此時(shí)的高程定義為可測(cè)最低層高程?？蓽y(cè)最高層高程和可測(cè)最低層高程區(qū)間為H-ADCP有效測(cè)量區(qū)間，通過(guò)確定的測(cè)量區(qū)間和岸邊坡度，即可確定軌道長(zhǎng)度[9]。

2.2.3 H-ADCP其他測(cè)量參數(shù)的確定

和流量計(jì)算相關(guān)的參數(shù)主要包括測(cè)量盲區(qū)、單元格寬度、流速輸出格式等，這些參數(shù)一般通過(guò)水面寬來(lái)確定。當(dāng)水面較寬，盲區(qū)和單元格可以適當(dāng)設(shè)置寬一些，反之可以設(shè)窄一些。H-ADCP流速輸出主要有層平均流速和多點(diǎn)流速，因岸邊有測(cè)驗(yàn)盲區(qū)，計(jì)算岸邊流量時(shí)需要用到岸邊最近點(diǎn)的流速，因此流速輸出設(shè)置為多點(diǎn)流速格式。

2.3 斷面流速采集子系統(tǒng)工作流程

圖4為斷面流速采集系統(tǒng)執(zhí)行流程圖。執(zhí)行采集任務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制器首先向水位計(jì)發(fā)送查詢水位命令，待收到水位計(jì)反饋的水位信息后，數(shù)據(jù)采集器根據(jù)內(nèi)置測(cè)量算法，確定H-ADCP駐測(cè)位置高程和測(cè)量層數(shù)，再向伺服系統(tǒng)（H-ADCP 拖動(dòng)系統(tǒng)）下發(fā)拖動(dòng)指令，伺服系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)采集控制器下發(fā)的命令后，發(fā)出拖動(dòng)命令收悉回執(zhí)。其后伺服系統(tǒng)根據(jù)命令指定的位置，開(kāi)始拖動(dòng)H-ADCP向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，期間位置傳感器實(shí)時(shí)向伺服系統(tǒng)反饋H-ADCP的當(dāng)前位置，直至到達(dá)目標(biāo)位置，伺服系統(tǒng)向數(shù)據(jù)采集控制器發(fā)送拖動(dòng)任務(wù)結(jié)束回執(zhí)。數(shù)據(jù)采集控制器收到回執(zhí)后，開(kāi)始向H-ADCP發(fā)送測(cè)量命令，H-ADCP收到測(cè)量命令后開(kāi)始測(cè)量，并反饋測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集控制器收到H-ADCP的測(cè)量數(shù)據(jù)后向H-ADCP發(fā)送停止測(cè)量命令，先將當(dāng)前水位和H-ADCP高程發(fā)送到流量計(jì)算平臺(tái)（流量計(jì)算子系統(tǒng)），然后將當(dāng)前層的各點(diǎn)流速報(bào)文發(fā)送到流量計(jì)算平臺(tái)。完成上述測(cè)量任務(wù)后，數(shù)據(jù)采集控制器內(nèi)置程序布置新的測(cè)量任務(wù)，讓伺服系統(tǒng)拖動(dòng)H-ADCP移動(dòng)到新的測(cè)量層，完成其他水層流速測(cè)量，直到完成所有水層流速測(cè)量，如圖5斷面流速采集系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)序圖，單層測(cè)量周期為2 min，多層測(cè)量則需歷時(shí)多個(gè)測(cè)量周期。斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)接收完所有目標(biāo)水層流速數(shù)據(jù)后開(kāi)始計(jì)算斷面流量。

2.4 斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)

斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)預(yù)先存貯大斷面數(shù)據(jù)以及河底、邊坡流速換算系數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)置第1節(jié)流量計(jì)算算法，當(dāng)算法必需的計(jì)算參數(shù)收集齊全后，即啟動(dòng)流量計(jì)算程序，輸出斷面當(dāng)前流量。流量計(jì)算子系統(tǒng)收集的參數(shù)包括斷面水位、H-ADCP駐測(cè)各層流速時(shí)的位置（高程、起點(diǎn)距），流速點(diǎn)位置及流速等[10-11]。

斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)嵌入了人機(jī)交互接口，便于用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)拖動(dòng)H-ADCP測(cè)量期望層的流速，或者從河底到水面密集測(cè)量更多層的流速樣本以提高斷面流量測(cè)量精度。人機(jī)交互接口是對(duì)數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置測(cè)量方法的完善和補(bǔ)充。

綜上所述，該流量在線測(cè)量系統(tǒng)工作模式分2種，即：①測(cè)量模式為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量的模式，該模式需將測(cè)量任務(wù)預(yù)先置入到數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部，程序控制自動(dòng)執(zhí)行。②測(cè)量模式為人工遠(yuǎn)程控制模式，在該模式下，數(shù)據(jù)采集器不主動(dòng)發(fā)布測(cè)量任務(wù)，人工通過(guò)斷面流量計(jì)算子系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)布測(cè)量任務(wù)，相關(guān)任務(wù)指令由數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)部件，執(zhí)行測(cè)量任務(wù)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

采用上述方法，實(shí)測(cè)斷面點(diǎn)流速樣本比較豐富，且基于詳細(xì)的大斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，一般通過(guò)計(jì)算機(jī)完成。限于篇幅，本文選擇斷面形狀相對(duì)規(guī)則的南水北調(diào)中線工程渠首陶岔水文站測(cè)驗(yàn)斷面，進(jìn)行了一次基于該方法的流量比測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了校驗(yàn)分析說(shuō)明。

3.1 陶岔水文站測(cè)驗(yàn)斷面情況簡(jiǎn)介

陶岔站測(cè)驗(yàn)斷面位于渠首閘下1 300 m，渠道順直，水流順暢，流態(tài)平穩(wěn)，受上游彎道影響較小。斷面處為混凝土明渠，渠道左岸邊坡長(zhǎng)約31 m，渠底寬約10 m，右岸邊坡長(zhǎng)約32 m，兩岸邊坡約18°。大斷面如圖6所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，擬合的水位Z與過(guò)水面積A公式的關(guān)系式為

A（Z）=3.144 4Z2-875.54Z+60 935 （12）

式中：R2=0.999。

3.2 流量測(cè)驗(yàn)精度

3.2.1 實(shí)測(cè)區(qū)流量情況

水位為148.70 m時(shí)，過(guò)水面積為289.69 m2，最大水深7.6 m，相對(duì)深度0.6水層高程145.66 m，用走航式ADCP測(cè)得流量270 m3/s，同步用H-ADCP在測(cè)驗(yàn)斷面實(shí)測(cè)7層流速數(shù)據(jù)，自水下1 m深度位置（高程147.70 m）記作第1層，層間距1 m，H-ADCP測(cè)流單元格寬度1 m，設(shè)置盲區(qū)為1 m，測(cè)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

基于該法，實(shí)測(cè)區(qū)面積222 m2（表1中層間實(shí)測(cè)面積之和），盲區(qū)面積67.69 m2，實(shí)測(cè)區(qū)面積占過(guò)水面積的76.6%，實(shí)測(cè)部分流量209.1 m3/s（表1中部分流量之和）。

3.2.2 盲區(qū)流速及盲區(qū)流量情況

因?yàn)閷?shí)測(cè)底層和表層更接近盲區(qū)，選取表層（0.953 m/s）和底層流速（0.771 m/s）均值作為盲區(qū)邊界平均流速，即（0.953+0.771）/2=0.862 m/s，

河底及邊坡為混凝土，通過(guò)查表岸邊系數(shù)取0.8，那么盲區(qū)部分流量為

67.69×0.862×0.8=46.68 m3/s，斷面流量為209.11+46.68=255.8 m3/s。

3.2.3 精度分析

以走航式ADCP測(cè)得的流量270 m3/s為真值，基于此法的多層流速流量測(cè)量結(jié)果為255.8 m3/s，相對(duì)誤差為-5.3%。

第3測(cè)層高程最接近相對(duì)水深0.6的位置，假定該層平均流速近似等于斷面平均流速，基于此原理的單層流速流量289.69×0.971=281.3 m3/s，同上基于此算法的相對(duì)誤差為4.2%。

綜合分析上述測(cè)驗(yàn)結(jié)果可以看出：2種流量測(cè)算方法都有較高精度，雖然第1種流量計(jì)算方法相對(duì)誤差稍大，這與岸邊系數(shù)的選取有較大關(guān)系，可以用上文所述方法，H-ADCP的盲區(qū)流量用走航式ADCP實(shí)測(cè)，然后反推岸邊系數(shù)，待斷面水位（或流量）發(fā)生一定變化后，再用率定的岸邊系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1） 基于該法實(shí)測(cè)流速樣本豐富，測(cè)點(diǎn)覆蓋過(guò)水?dāng)嗝娲蟛糠治恢?，?shí)測(cè)部分流量具有較高測(cè)量精度。

（2） 測(cè)驗(yàn)盲區(qū)平均流速換算系數(shù)通過(guò)走航式ADCP和H-ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，具有較高可信度，盲區(qū)部分流量具有較高精度。

（3） 該法應(yīng)用部分流量累加法施測(cè)流量，與基于指標(biāo)流速法測(cè)流系統(tǒng)相比，流量計(jì)算建模容易，前期不需要收集大量的高、中、低水測(cè)流樣本，即便斷面特性發(fā)生變化，模型參數(shù)矯正容易，斷面流量測(cè)驗(yàn)精度更高，且投產(chǎn)快。

（4） 整套測(cè)流系統(tǒng)靠近岸邊安裝，與走航式ADCP以及纜道測(cè)流方法相比，具有較高的安全性，更高的測(cè)流效率，適合流量在線測(cè)量，符合當(dāng)今水文行業(yè)巡測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。

（5） 本文流量校驗(yàn)分析選取的測(cè)流斷面相對(duì)規(guī)整，實(shí)際測(cè)量層數(shù)為7層，對(duì)于天然河道，需要根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)確定H-ADCP軌道的安裝位置、測(cè)量層數(shù)、層間距，以提高測(cè)量精度和測(cè)量效率。

（6） 本系統(tǒng)對(duì)斷面特性有一定要求，適合水面寬在8～150 m，斷面平均水深在1 m及以上的河流流量測(cè)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?李雨，袁德忠，周波，等.ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].人民長(zhǎng)江，2013，44（增2）：35-38.

[2] 吳志勇，徐梁，唐運(yùn)憶，等.水文站流量在線監(jiān)測(cè)方法研究進(jìn)展[J].水資源保護(hù)，2020，36（4）：1-7.

[3] 杜耀東，宋星原，王俊，等.H-ADCP在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2008，39（3）：37-39.

[4] 韋立新，蔣建平，曹貫中，等.基于ADCP實(shí)時(shí)指標(biāo)流速的感潮段斷面流量計(jì)算[J].人民長(zhǎng)江，2016，47（1）：27-30.

[5] 韋廣龍.南寧站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系模型的建立與應(yīng)用[J].廣西水利水電，2016（2）：17-21.

[6] 盧金友，詹正義，趙根生，等.河道中受側(cè)壁影響的斷面流速分布規(guī)律研究[J].水利學(xué)報(bào)，2012，43（6）：645-652，658.

[7] 李文，馮志彬，王曉梅，等.斷面岸邊系數(shù)法的河流水位流量流速面積算法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（36）：226-230.

[8] 王若晨，張國(guó)學(xué)，閆金波，等.水利工程調(diào)度影響下流量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江，2014，45（9）：51-54.

[9] 周儒夫，李曉波，謝靜紅，等.一種傾斜式H-ADCP探頭安裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].水資源研究，2019，8（4）：389-396.

[10] ?魯青，周波，雷昌友，等.實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].人民長(zhǎng)江，2014，45（2）：90-92，100.

[11] 陳志高，王祎頔，王真祥，等.ADCP數(shù)據(jù)綜合處理方法及軟件系統(tǒng)研制[J].人民長(zhǎng)江，2017，48（7）：41-45.

（編輯：劉 媛）

引用本文：

張國(guó)學(xué)，史東華，馮能操.

基于H-ADCP的河道斷面多層流速測(cè)量與流量計(jì)算

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（8）：78-83，132.

Multi-layered velocity measurement and discharge calculation method

of river section based on H-ADCP

ZHANG Guoxue，SHI Donghua，F(xiàn)ENG Nengcao

（ Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Accurate and efficient monitoring of river cross-section discharge has always been the focus of online hydrological monitoring.In order to solve the problems，such as difficult to collect distributed data of river cross-section velocity and tough to build model for index velocity formula，large error in the existing online current flow measurement technology，we proposed a multi-layered velocity measurement method based on H-ADCP.The flow calculation formulas for the measured and blind areas are provided by the partial flow accumulation method.And the implementation process of on-line flow measurement system based on this method is introduced.Taking the test section of the Taocha Hydrologic Station at the head of the middle route of South to North Water Diversion Project as an example，we carried out error analysis on discharge calculation results based on this method and that based on navigable ADCP.The results show that the online flow monitoring system built by this method has high measurement accuracy and good timeliness，and it has a good reference to the application of H-ADCP used in flow on-line monitoring.

Key words：

H-ADCP;multi-layered velocity measurement;section discharge calculation;Taocha Hydrologic Station;Middle Route of South to North Water Diversion Project