H-ADCP流速比测分析中误差校正的方法探讨_李洪毅.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）1误差成因及校正方法探讨1.1误差原因分析（1）流速误差原因分析。造成设备指标流速Vi与实测平均流速Vm拟合精度低的原因有多种，其中一种原因是设备安装断面与比测断面不重合，水流沿河道的传播，导致T时刻安装断面的设备指标流速Vi与比测断面的实测平均流速Vm无法建立正相关。一般情况下，设备安装断面与比测断面的间距较小，洪水要素在两断面之间的差值是可以忽略的，但是当两断面之间的距离变大时，这一影响因素将不可忽略。（2）流量资料整编误差原因分析。造成流量资料整编成果误差较大的原因是：受水利工程等人为因素的影响，采用水位流量关系线定线推流进行流量资料整编，不能充分反映断面实际流量过程。而采用连时序法进行流量整编，该方法每5 min一个流量数据，充分反映了断面实际水位流量过程。1.2误差校正办法探讨1.2.1流速误差校正方法要校正测流断面与新设备安装断面不重合，导致的指标流速Vi与实测平均流速Vm误差问题，首先要建立二者相关性。在天然棱柱形河道里，水波运动是渐变非恒定流，设在一个很短的河段中，上下站间的间距为L，T时刻上游站流量为Q，在波速为的传播速度下，经过传播时间后，在下游站的流量为Q。在相应水位（流量）法中，主要体现在传播时间关系上，其实质是反映洪水波的推移作用。传播时间是洪水波以波速由上站运动到下站所需的时间，即：=L/（1）在棱柱形河道里，洪水波波速与断面平均流速V之间的关系为：=V（2）式中：是断面形状系数，或称波速系数。断面形状系数取决于断面形状和流速计算公式，在流速比测中，为确保比测数据的相关性，所选比测断面与安装断面晓近，形状也可以看做相同，所以断面形状系数可以近似。因此，传播时间也可按下式推求：=L/V（3）设与指标流速Vi相关的安装断面实测平均流速为Vm，Vm的相应时间为T，相应水位为Z，相应面积为Vi。则有Vi=T+L/V（4）在流速比测中，为确保比测数据的相关性，所选比测断面与安装断面必需满足区间无入流。在无旁侧入流的情况下，上、下站相应流量可近似看作Q=QVm=Q/A（5）式中：相应面积为A可以通过所求的Vm的相应时H-ADCP流速比测分析中误差校正的方法探讨李洪毅（河池水文中心，广西河池547000）摘要针对H-ADCP系统流速比测分析中方案合格率偏低的情况，以实测平均流速为水体传播速度对实测流量进行相关插补，校正H-ADCP设备安装断面与比测断面不重合导致的实测平均流速与指标流速拟合误差。通过水文调查，参考多年实测流量，校正比测资料不充分造成的流量资料整编误差，这一方法在宜州刘三姐水文站可行。关键字实测平均流速；指标流速；插补；水文调查；校正中图分类号P337文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0096-03收稿日期2022-12-12作者简介李洪毅（1991-），男，广西来宾人，河池水文中心宜州水文中心站四级主任科员，主要从事水文监测与分析预报工作。理论分析与研究 96DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.016广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）间为T查取相应水位为Z，再通过水位面积关系查表读取。最后以相应平均流速Vm与相应指标流速Vi建立关系。1.2.2流量资料整编成果误差校正方法水位流量关系法作为流量资料整编的基本方法，其定线基本方法是点绘实测水位流量关系图，通过点群中心绘制关系曲线，使关系点子均匀分布于曲线两旁。水位流量关系与实测流量息息相关，如今河流或多或少都受水利工程等人为因素的影响，在实际水文工作中，流量测验往往不能充分反映断面实际流量过程。流量整编对比分析过程中，采用原有定线推流方式与连时序法流量资料整编对比误差过大时，可对比测期间河段水文特性开展水文调查，与定位观测相辅相成并可弥补定位观测之不足，同时参考多年实测流量，绘制出符合比测期内的水文站水位流量关系线，校正流量整编误差。2实例分析2.1测站概况（1）水文概况。刘三姐水文站始建于2009年，位于河池市宜州区刘三姐镇刘三姐社区小上枧屯东小江河段左岸，站址下距龙江汇河口12 km，集水面积1596 km2。刘三姐水文站基本水尺断面河段顺直、河床稳定、主流稳定，河宽在70100 m之间，河床由乱岩及黏土组成，左岸为黏土斜岸，有茂密竹林，右岸为垂直石壁。断面上下游无支流，基本水尺断面下游1.5 km处建有一座滚水坝，基本水尺断面水位达120.40 m时河水开始漫过坝顶，年内大部分时间基本水尺断面水位保持在119.60120.40 m之间。（2）H-ADCP基本情况。刘三姐水文站H-ADCP于2019年完成安装，安装位置为基本水尺断面上游10 m断面左岸。安装位置起点距为45.0 m，仪器安装高程为119.20 m，离地面约0.5 m；2019年6月以来基准水平角度（横摇）为0.26、竖直角度（纵摇）为0.02，外置水位采用水位台自记水位。2.2流速资料误差处理及分析成果2.2.1H-ADCP流速比测资料及初步分析刘三姐水文站为无水文缆道水文站，基本水尺断面左岸为悬崖，人员无法到达对岸，因此流速仪测流断面选取为位于基本水尺断面（H-ADCP安装断面）下游2.8 km处刘三姐大桥下游，流量测验方式为ADCP走航式桥测。流速仪测流断面与H-ADCP安装断面之间无其他水流汇入。刘三姐水文站在2020年5月30日至9月24日期间，开展指标流速Vi断面平均流速Vm相关关系率定工作，共收集 19 组实测流量 Q，水位 Z 范围119.61124.32 m，指标流速范围 0.232.31 m/s。根据平均流速V与H-ADCP指标流速Vi，绘制相关关系图（见图1），由图1可以看出，平均流速与H-ADCP指标流速相关性差。图1刘三姐水文站断面平均流速与H-ADCP指标流速关系图2.2.2流速误差校正以实测平均流速Vm为水体传播速度，计算出传播时间，对实测流量进行时间插补，计算出该实测流量通过基本水尺断面的相应时间 T，以该时间的相应水位作为实测流量的相应水位Z，计算测时相应断面面积A，从而计算出测时相应断面平均流速Vm，最后取插补后时间的相应指标流速Vi。处理后比测数据19组，相应水位Z范围119.61124.32 m，相应指标流速Vi范围0.212.31 m/s。根据处理后相应平均流速V与H-ADCP相应指标流速Vi，绘制相关关系图（见图2），由图2可以看出，处理后相应平均流速V与H-ADCP相应指标流速Vi相关性较好。图2处理后断面平均流速ADCP指标流速关系图2.2.3流速校正后分析成果97李洪毅:H-ADCP流速比测分析中误差校正的方法探讨使用H-ADCP“定线通”软件（也可用Excel表格计算分析）进行关系曲线拟合，经比较，一元二次多项式方程在相关系数、系统偏差、随机不确定度等综合精度方面达最优，因此拟采用一元二次多项式方程：Vm=-0.0 472+1.2 107 Vi-0.1 027 Vi2对拟合的一元二次多项式流速公式进行三项检验，检验结果均合格，标准差 5.19%，系统误差0.7%，置信水平95%的随机不确定度10.38%，满足水文资料整编规范（SL/T 247-2020）中对专用水文站（ADCP测流）的允许误差要求。检验结果见表1。表1流速校正后检验结果样本容量：N=19符号检验：u=0.46适线检验：U=-1.65偏离数值检验：|t|=0.60标准差：5.19%正号个数：8允许：1.15（显著性水平a=0.25）允许：1.64（显著性水平a=0.05）允许：1.70（显著性水平a=0.10）随机不确定度：10.38%符号交换次数：12合格合格合格系统误差：-0.7%2.3流量资料整编误差处理及分析成果2.3.1流量资料整编成果对比流量资料整编成果的对比，主要选取H-ADCP指标流速相对较完整的2020年69月份，分别以水位流量关系法和连时序法对刘三姐水文站2020年69月份流量资料进行整编，取二者逐日平均流量、径流总量、最大一日洪量、瞬时最大流量等进行对比。经对比分析，定线推流成果与H-ADCP成果逐月平均流量偏差在0.65%239%之间，径流总量则偏大44.8%，最大一日洪量偏小4.89%，瞬时最大流量偏小10.9%。各项系数偏差较大，不满足 水文资料整编规范（SL/T 247-2020）中对专用水文站（ADCP测流）的允许误差要求。2.3.2流量整编误差校正对比测期间刘三姐水文站水文特性开展水文调查，调查成果如下：2019年1月1日2020年6月31日安装断面与比测断面中间滚水坝闸门打开，2020年7月1日闸水，但是闸水的木板在2020年7月 12 日的小洪水中出现部分损毁断裂，最后于2020年8月912日更换闸水木板。刘三姐水文站为专用水文站，200年8月未出现洪水过程，所以并未安排进行流量测验。考虑比测期间受开关闸影响，刘三姐水文站水位流量关系曲线定线方式改采用临时曲线法。由于8月并未进行流量测验，使定线数据缺失，考虑水流特性与2019年水流特性相似，定线将以2019年实测流量数据为参考。同时闸门启闭转换时期，水位流量关系线过度线采用自然过度。2.3.3流量整编误差校正后对比成果依照以上方法处理后，重新计算对比分析（见表2），2020年69月份，定线推流成果与H-ADCP成果的 6 至 9 月逐月平均流量偏差在分别为0.98%、-2.26%、15.2%、-2.42%，径流总量则偏大0.54%，最大一日洪量偏大3.89%，瞬时最大流量偏小8.70%。除8月平均流量及瞬时最大流量外，均在允许误差5%范围内，满足 水文资料整编规范（SL/T 247-2020）中对专用水文站（ADCP测流）的允许误差要求。表2不同时段径流量对比不同方法成果定线推流成果H-ADCP成果误差/%6月平均流量/（m3/s）3093060.987月平均流量/（m3/s）64.966.4-2.268月平均流量/（m3/s）39.434.215.29月平均流量/（m3/s）161165-2.4269平均流量/（m3/s）142.1141.40.50径流总量/108m314.9814.900.54最大1日洪量/108m30.8640.8993.89瞬时最大流量/（m3/s）16801840-8.70（英文摘要下转第 112 页）3结语现代测流设备流速比测分析过程中，以实测平均流速为水体传播速度对实测流量进行相关插补，校正设备安装断面与比测断面不重合导致的流速误差；同时，在流量资料整编对比中，可以通过水文调查，参考多年实测流量，校正比测资料不充分造成的流量资料整编误差。（责任编辑：窦波元）98Study of river and reservoir joint operation technology for LiujiangRiver BasinZHU Xue-mei1,JIN Zhan-wei2(1.Hydrology Center of Liuzhou City,Liuzhou 545007,China;2.Comprehensive Hydraulic Technical Center ofPearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources,Guangzhou 510000,China)Abstract:Based on the actual situation of flood protection dikes in Liuzhou City and reservoirs in the river basin,Xin anjiang model was used to establish the reservoir inflow flood forecasting scheme of Liuzho