【论文推荐】多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术研究

一、前言

固定式声学多普勒流速剖面仪(ADCP)作为流量在线监测主要设备之一，通过将声学换能器固定水平或垂向安装，实时监测代表层或代表垂线指标流速，建立指标流速与断面平均流速关系，推求断面流量，广泛应用于水文站点流量实时监测和报汛为提升ADCP在线测流精度，水文水资源相关专业学者和技术人员对流量计算模型持续开展探索和研究。王发君等"通过多种回归方程建立指标流速与断面平均流速关系进行推流;徐刚等“采用人工神经网络处理指标流速与断面平均流速的非线性映射关系，建立复杂水流条件下流量在线推算模型;李辉等引入变化水位流速标定系数,建立虚拟梯形断面平均流速与测验断面平均流速关系，提高在线测流精度等。杜兴强等通过对测验姿态的改进，开展倾斜安装ADCP流量在线监测技术试验，为流量在线监测提供了一种新思路。

本文基于H-ADCP倾斜安装方法，提出多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术，构建多设备多角度协同观测系统，建立组合计算分析模型，提高指标流速代表性和测验成果精度，从而更好地适应变动回水、小流量等复杂水情条件下的流量在线监测需求。

二、在线监测系统建设

（一）测站简介

枝城水文站是国家基本水文站，一类精度水文站，设立于1925年，位于长江中游枝城河段，测验断面上游约72 km处建有葛洲坝水利枢纽工程、约100 km处建有三峡水利枢纽工程，下游约82 km有荆江分洪区进水闸北闸，是荆江入口重要控制站，也是三峡出库泥沙验证站。枝城水文站流量测验断面河床由沙质和礁岩组成，冲淤变化小，河床较为稳定。采用走航式ADCP和转子式流速仪法施测流量，综合落差指数法定线整编，流量实时报汛及整编方案成熟稳定,精度较高。

（二）在线监测安装平台

枝城水文站于2022年10月完成栈桥平台建设，流量在线监测断面位于流速仪断面下游89.62 m，见图1。2023年开展倾斜安装ADCP流量在线监测技术(单台在线监测设备)研究，成果质量基本满足测验及整编要求。2024年开展多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术研究，以两台不同倾斜角度安装H-ADCP同步协同监测开展流量在线精度提升分析，探索H-ADCP流量在线监测普适性方案:

（三）H-ADCP选型及安装

枝城水文站H-ADCP流量在线监测方案采用600、300 KHz两台ChannelMaster型水平声学多普勒流速剖面仪(分别简称CM-600和CM-300)组合安装方式，设备选型基于不同角度设备监测量程和分辨率需求，且选用不同型号设备的组合，能有避免同频设备的相互干扰和潜在缺陷。基于前期分析及现场反复试验结果，综合考虑在线监测平台安装位置、河床形态、监测区域交叉影响、监测指标流速稳定性和设备运维等因素，确定CM-600换能器安装高度为35.35 m，安装倾角为28.1°，CM-300换能器安装高度为34.95 m安装倾角为12.5°，见图2。设备监测范围内水域为禁止通航和锚泊区域，船只等设备对本监测方案影响较小。

（四）在线监测设备参数

比测分析阶段，设置两台H-ADCP设备采集单元范围均为最大值1-128，分析不同单元范围指标流速代表性。设置两台设备采集间隔时间均为300 s，指标流速数据时间与水位自记时间一致，主要参数设置见表1。

三、在线监测流量推算模型

多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术基于代表流速法推求断面流量，分析建立多设备组合监测指标流速和断面平均流速关系以及水位-面积关系，进行实时流量计算。具体实现过程如下。

根据水位-面积关系计算实时过水面积:

[Math Processing Error](1)

根据多设备组合监测指标流速和断面平均流速关系计算实时断面平均流速:

[Math Processing Error](2)

Vi=a₁V₁+a₂V₂+……+a_qV_q3)

实时过水面积乘以实时断面平均流速计算断面实时流量:

[Math Processing Error](4)

式中:A为过水断面面积，m²;H为水位，m;V_m为断面平均流速，m/s;Vi为组合监测代表流速(指标流速)，m/s;V_q。为单台设备代表流速(指标流速)，m/s;a_q为单台设备代表流速(指标流速)贡献系数;Q为流量，m³/s;q为H-ADCP设备序号。

（一）在线监测数据获取

枝城水文站于2024年1月10日至2024年9月17日开展多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术比测工作，方案包括:枝城水文站双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测比测方案(CM-300 +CM-600)、单部倾斜安装H-ADCP在线监测比测方案(CM-300)和单部倾斜安装H-ADCP在线监测比测方案(CM-600)。比测样本水位范围为38.16~47.42 m，流量范围为7 500~46 500 m/s。本年度自记水位范围为38.03~47.48 m，整编计算流量范围为6 960~47 300 m/s。比测样本水位、流量分布均匀，涵盖本年高、中、低水位变幅，基本覆盖本年水位和流量变化范围。

（二）指标流速与断面平均流速相关性分析

根据两台H-ADCP指标流速区间长度选择的不同，开展三种方案比测数据处理和分析工作。首先分别处理计算单部设备(CM-300/CM-600)在最大指标流速单元区间1~128范围内不同区间长度指标流速，如区间选择1~2、1~3、1~4、…126~127、126-128、127~128等，建立两种单部设备方案不同单元区间长度指标流速与实测断面平均流速相关关系。再对两台设备不同指标流速区间进行任意组合，组合方式分为直接相加组合和最优加权组合，建立两部设备不同区间组合指标流速与实测断面平均流速相关关系，分析三种比测方案下指标流速与断面平均流速相关程度。相关关系模型采用一元二次回归拟合，计算相关指数，统计结果(部分)见表2。

3种比测方案下指标流速单元区间选择和组合方式不同，指标流速与断面平均流速相关性不同。对比发现:单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案(CM-300)和单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案(CM-600)指标流速区间选取5~30时，相关指数分别为0.989 3.0.9880，分别为2种方案下最优区间选择;双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测方案(CM-300+CM-600)指标流速区间组合为(5-30)+(5-30)时，相关指数为0.990 3;双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测方案最优加权组合，计算最优权重(CM-300)设备权重系数为0.555，(CM-300)设备权重系数为0.439，相关指数为0.990 2，双部在线监测方案较单部在线监测方案指标流速与断面平均流速相关性更强。

（三）在线监测方案确定

选取3种方案指标流速与断面平均流速相关指数大于0.980的区间，进行指标流速与断面平均流速关系定线，计算定线精度，并进行三项检验，统计结果（部分）见表3。

分析指标流速与断面平均流速关系曲线检验情况发现，所优选方案大多能通过定线精度检查和三项检验，其中2台设备指标流速单元区间选择均为5~30时，为3种方案下随机不确定度最小区间，整体定线精度和三项检验结果也为不同区间选择中最优方案。且该区间选择下，双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测方案较各单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案定线推流模型精度和检验效果更好。

综上，确定枝城水文站多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术方案为双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测方案(CM-300 +CM-600)指标流速单元区间组合为(5-30)+(5-30)，单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案(CM-300)指标流速单元区间为(5~30)，以及单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案(CM-600)指标流速单元区间为(5~30)。

根据上述3套流量在线监测方案，根据指标流速与断面平均流速关系和水位-面积关系，分别推算断面平均流速并计算断面流量以检验多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术方案推流精度。对2024年1月10日至2024年9月17日在线监测流量进行还原，以枝城站流速仪断面传统转子式流速仪法和走航式ADCP实测数据，采用综合落差指数法流量整编成果作为流量验证资料(真值)开展流量反演分析。

（一）流量过程合理性分析

绘制枝城水文站3套流量在线监测方案推算流量过程线和整编流量过程线见图3，局部洪峰过程见图4。2月20日至9月17日4套推流方案流量变化过程较为一致，三套在线监测方案流量推算效果均较好。其中因设备监测异常导致1月10日至2月20日3套在线监测流量与整编流量过程存在差异。

（二）不同水位级模型稳定性分析

选取高、中、低水位级下典型时段，时段连续目两台设备均正常工作，计算三套在线监测方案不同水位级径流量发现，高、中、低水位级下，三套方案典型时段径流量与对应整编径流量最大误差分别为0.76%、-1.33%和2.84%，三套在线监测方案模型在不同水位级具有较好稳定性。

（三）时段径流量精度分析

选取两台在线监测设备完整监测月份，双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测方案完整监测月份须保证两台设备同时正常运行，计算三套在线监测方案有效时段径流量发现，双部倾斜安装H-ADCP同步在线监测方案(CM-300+CM-600)时段径流量误差为-0.36%，单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案(CM-300)时段径流量误差为-0.66%，单部斜安装H-ADCP在线监测方案(CM-600)时段径流量误差为1.25%，三套方案推算时段径流量精度均较高，多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术方案推流精度优于单部设备独立监测。

通过分析枝城水文站多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术方案比测成果和流量反演成果，得出结论如下:

a)当两台H-ADCP优选指标流速区间均为5-30时，双部倾斜安装H-ADCP流量同步在线监测方案和两台单部倾斜安装H-ADCP在线监测方案指标流速与断面平均流速相关系数分别为0.990 3、0.989 3、0.9880，且双部倾斜安装ADCP流量同步在线监测方案指标流速与断面平均流定线模型精度整体优于单台倾斜安装ADCP流量在线监测方案，采用多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术能提升指标流速代表性，提高指标流速与断面平均流速模型精度。

b)双部和单部倾斜安装H-ADCP流量在线监测方案推算流量和整编流量过程较为一致。三套方案有效时段径流量与对应整编径流量误差分别为-0.36%、-0.66%、1.25%，时段径流量推算精度均较高，采用多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术流量反演精度整体更高。

c)高、中、低水位级下，三套方案典型时段径流量与对应整编径流量最大误差分别为0.76%、-1.33%和2.84%，推流模型较稳定。

d)多角度倾斜布设H-ADCP流量在线监测技术包含多部和单部倾斜安装H-ADCP流量在线监测方案，多方是相互独立，又互为补充。当监测设备出现维护和故障等突发情况时，备用方案可保障在线监测过程稳定运行，提高流量在线监测过程连续性与容错能力。(责任编辑:程茜)

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