固定式H―ADCP水流量监测算法研究

摘 要：文章采用固定式H-ADCP实测数据计算流量，建立平均流速与指标流速的数学模型，通过指标流速法和数值法计算水流量与固定式H-ADCP实测水流量的相对误差，指标流速法和数值法计算验证了固定式H-ADCP水流量监测算法的有效性，具有较好的应用前景。

关键词：H-ADCP水流量监测 固定式CM型 计算水流量

中图分类号：S274.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（c）-0115-02

随着科学兴建大量水利工程，为了获得水流量变化过程，越来越迫切地要求高精度水流量监测，势必要增加测次，加大工作量及经济成本。传统水流量监测方法仅适用于小流量环境，水流量水设备精度较低，亟需水流量监测以解决受工程影响的水流量监测问题[1]。目前，水流量在线监测主要有流速面积法及水力学法。水力学法又分为水工建筑物测流法和量水建筑物测流法；流速面积法又分为剖面流速测量和表面流速测量。采用H-ADCP进行水流量监测是现在常用的方法，固定式CM型（Channel Master）H-ADCP新型声学多普勒水流量监测仪器，流速量程可达±20 m/s，具有128个可选单元。三个型号（CM300、CM600和CM1200）系统频率分别为300 kHz、600 kHz和1 200 kHz，H-ADCP通常长期固定安装在某一站位，水流量监测站可以是无人值守，水流量数据通过数字传输系统传到任何地点。有两种完全不同的流量计算方法，即是指标流速法和数值法，其中数值法本质上是流速-面积法，指标流速法本质是率定。指标流速法缺点是需要率定，优点是不需要H-ADCP剖面范围覆盖整个过水断面；数值法缺点要求H-ADCP剖面范围覆盖整个过水断面，最大优点是不需要率定[2]。

因此，对几十米及以下宽的明渠，明渠宽小于H-ADCP剖面范围，两种流量计算方法都可以采用。大江大河宽度大于H-ADCP剖面范围，只能采用指标流速法。

1 计算实测数据流量

1.1 实测数据概况

试验采用600 kHzCM型固定式H-ADCP从桥中段固定放入河流，H-ADCP设定参数为采样间隔37.4 s，平均时间步长37.4 s，盲区0.5 m，单元数20，单元长度0.5 m。H-ADCP自13：00～14：00采样，历时1 h，共获得361组流速、水位等数据，H-ADCP水流量测验现场如图1所示。

现场实测固定式H-ADCP实测水位和固定式H-ADCP实测流速分布和水位数据如表1所示，采用其数据指标流速法和数值法计算流量[3]。

1.2 数值法

利用明渠流速分布定律和H-ADCP实测流速数据推算过水断面上各个点的流速，然后对整个过水断面流速分布进行积分算出流量[4]。设为垂直于过水断而的流速分量，流量计算公式为

公式（2）中，为渠底高程，流速分布系数为α（y）。经验常数为β，β=1/6，与河床V率、河流流态有关。Zb和α（y）均为y的函数，α（y）可由H-ADCP实测单元流速分量求得。

该文实验采用单元流速来推算过水断面上各个点的流速。启动数值算法模块然后回放试验得到的H-ADCP流速和水位数据算出水流量。

1.3 指标流速法

指标流速建立数学模型表示，即指标流速与数据断面平均流速之间的相关关系，类似于代表点法或代表线法，其本质是率定法，指标流速法基本原理是利用实测流量，提出河流或明渠过水断面上某处的局部流速[5]。该文实验得到9组实测断面平均流速与指标流速数据。利用指标流速法针对数据进行回归分析，水面平均流速与指标流速的数学模型如下。

（3）

将数学模型公式（3）率定系数为0.863 5，水流断面数据输入H-ADCP启动指标流速法模块，然后回放实验得到的H-ADCP流速和水位数据，通过指标流速法计算出水流量。

2 实验结果比较分析

通过表1可以看到，H-ADCP实测水位变化范围为0.385～0.455 m，H-ADCP实测指标流速变化范围为0.027～0.199 m/s。相对误差计算对于小流量或小流速是没有意义，不采用数值法的计算精度，利用流速相对误差来评价指标流速法。分别采用数值法和指标流速法和计算相应的历时水流量，累计历时90 min的水流量，实测水流量、计算水流量及其相对误差如表2所示。

由表2可以看到，指标流速法计算的水量相对误差较小的原因是其数学模型，H-ADCP指标流速法和H-ADCP数值法相对误差分别为-0.12%和1.62%，该文达到1.62%相对精度具有实用价值。

3 结语

固定式H-ADCP水流量可很好地服务于最严格水资源管理，采用指标流速法、数值积分法实时计算流量，针对累计水流量测验精度是比瞬时流量测验精度更重要的参数，设置了H-ADCP参数、水位获取参数和流量计算模块等，流速采集数据的实时获取，数值积分法流量的自动计算，实现了H-ADCP数据无线远程传输，具有较好的可扩展性，更有意义。

参考文献

[1] 黄河宁.宽带声学多普勒技术用于灌区量水试验研究―固定式H-ADCP在线流量监测及其流量计算[J].中国农村水利水电，2007（11）：50.

[2] 周波，张国学，李雨.通用比降面积法流量测验系统软件设计与实现[C]//水利量测技术论文选集（第九集）.郑州：黄河水利出版社，2014.

[3] 李远青.H-ADCP在珠江三角洲思贤虿饬髦械挠τ[J].佛山科学技术学院学报：自然科学版，2005，23（3）：18-20.

[4] 李云中，胡焰鹏，叶德旭.H-ADCP自动流量监测系统在长江三峡河段的应用[C]//全国水文学术讨论会，2004.

[5] WANG Fajun，HUANG He`ning.Horizontal acoustic Doppler current[C]// Water Engineering for the Future， Choices and Challenges.2005.