流量在線監測在九江水文站的可行性分析

柯莉莉，謝雅蕾，謝 波

（長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局九江分局，江西 九江，332000）

0 引言

流量測驗是對江河、渠道流量的實地測量，是水文站最重要的觀測項目之一。我國河道水文站絕大多數都采用流速面積法原理開展流量測驗[1]，常用的有流速儀法測流、浮標法測流、走航式聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）測流、水力學法等。傳統的流量測驗方法在水文站流量測驗中發揮了積極的作用，但存在操作復雜、用時長、勞動強度較大及工作效率不高等缺點，已難以滿足我國水文站點快速增加和功能擴展的要求[2]。近年來水利部水文司更是發文要求今后水文站原則上按照自動站建設，實現無人值守和自動測報，流量測驗技術和設備配置應以在線或自動監測為主，因此在傳統流量測驗方式的基礎上進行研究分析，積極推進流量在線監測，提高水文站自動化程度和工作效率，具有十分重要的意義[3-4]。本文主要是以九江水文站為例，找出該站代表全斷面平均流速的垂線位置，推進在線流量監測在該站的實現，同時為同類型的水文站流量在線監測的前期規劃提供借鑒。

1 概述

九江水文站設立于1904 年10 月，位于江西省九江市潯陽區濱江路，測站編碼60113400，東經115°58′48.1″，北緯29°43′42.9″，集水面積1 523 041km2，距長江口約870km，是長江中游干流控制鄱陽湖入匯長江前的基本站，屬國家級重要水文站。九江水文站1988年開始增加流量項目，流量為一類精度站，該站傳統的流量測驗方法為流速儀法測流、浮標法測流、走航式ADCP 測流，歷史最高水位為23.03m（1998 年），最大流量為75 000m3·s-1（1996 年）。目前九江水文站的水文測驗方式為駐巡結合，流量測驗方法為走航式ADCP，測次布置按連時序法要求，全年實測流量均在80 次左右。九江測流斷面上游約6km 處建有九江長江二橋，下游約3km 處有九江長江大橋、約9km 處有張家洲將長江分為南北兩江；下游30km 有鄱陽湖入匯長江，水位～流量關系不穩定。為了提高流量整編成果的精度和報汛準確性，推進流量在線監測的實現，現用九江水文站近5 年（2017 年～2021 年）的實測走航式ADCP 流量資料為依據進行指標流速多元線性回歸分析。

2 測驗河段及斷面特性

九江水文站測驗段順直長約13km，河寬約1.4km，流速儀測驗斷面在基本水尺斷面下游1 086m，斷面下游1 560m 有鎖江樓突出江右岸，是良好的低水控制點，高中水時由于上游來水，斷面沖淤變化較大；測驗斷面呈偏“V”型，深槽靠近右岸。河床在起點距860m 以左為沙質組成，860m 以右為礁板亂石。斷面左岸坡度微緩，中低水時由于水流挾沙能力減弱，存在部分泥沙淤積，高水時由于上游彎道作用，將沉積泥沙沖刷，形成“低水淤積，高水沖刷”的規律，而右岸坡度較陡且組成穩定，斷面兩岸及河床組成牢固，無坍塌現象。從歷年汛前和汛后的大斷面資料可以看到左岸坡在起點距150m～690m 之間有部分沖淤。測驗河段平面圖見圖1。

圖1 九江水文站及測驗河段平面圖

3 指標流速垂線代表性分析

3.1 選擇原理

流量在線監測可以通過流速面積法和水力學法來實現。常見的流速面積法有：指標流速法、斷面流速分布模型法和表面流速法。目前，國內外使用最多的在線監測方法為指標流速法[2]。指標流速法專指要通過建立指標流速與斷面平均流速相關關系計算斷面流量的方法，對于特別復雜的河段有良好的應用效果，是一種經驗方法，其實質是由局部流速來推算斷面平均流速。

指標流速共有三種：一是斷面上某一點處的流速（點流速）；二是斷面上某一垂線處平均流速（垂線平均流速）；三是某一水層處某一水平線段內的水平平均流速（水平平均流速）[5]。

本次分析選用九江水文站實測流量資料，通過對斷面上不同起點距的垂線流速分布的分析，用單垂線或二條垂線組合作為代表垂線，通過對實測斷面平均流速與代表垂線的實測流速的最小二乘法多元線性回歸分析，即可以得到斷面平均流速與指標流速的相關關系。若斷面平均流速與指標流速相關性較好，則能達到通過指標流速推求斷面平均流速的目的。

其斷面平均流速和斷面流量分別用公式（1）（2）計算。

式中：V1、V2為代表垂線平均流速，m/s ；Vc為相應的斷面平均流速，m/s ；f（V1、V2）表示代表流速與斷面平均流速之間的函數關系；Q 為斷面流量，m3/s ；A 為斷面面積，m2。

3.2 九江水文站斷面分析

采用了九江水文站2017 年～2021 年的大斷面數據，繪制實測大斷面圖，并計算斷面面積隨時間變化的百分比，大斷面圖見圖2。

從圖2 中可見起點距80m 至600m 沖淤變化較大，其余地方沖淤變化較小。從計算斷面面積隨時間變化百分比來看，2020 年受特大洪水影響汛后沖淤變化較大，大斷面面積變化百分比為11.15%，其余年份大斷面面積變化百分比均在-3.93%～5.90%以內，因此按聲學多普勒流量測驗規范要求應適當增加水道斷面的測量，以減少借用斷面帶來的誤差。根據九江水文站的斷面分布和測站特性，以及長江航道通航的具體情況，擬用多種組合進行垂線平均流速與斷面平均流速的統計分析，即單垂線為起點距600m、690m、1010m、1080m、1110m，兩垂線組合為起點距600+1010m、600+1080m、600+1110m、690+1010m、690+1080m、690+1110m，共11種方案。

3.3 垂線流速測點數分析

在起點距600m、690m、1010m、1080m、1110m 五條垂線上分別按十一點的相對位置摘錄流速，用三點法、五點法和十一點法進行計算垂線平均流速。將五點法和十一點法計算的垂線平均流速作為近似真值，分別對三點法與五點法、三點法與十一點法計算的垂線平均流速進行比較分析，結果見表1。

表1 垂線測點數分析統計表

從分析結果可見，各垂線最大平均流速為2.54m/s，最小平均流速為0.45m/s，最大差值為0.05m/s，最小差值為-0.02m/s。從表1 可見兩種方法比較的相對系統誤差和隨機不確定度均滿足《河流流量測驗規范》（GB50179-2015）一類精度站的要求[6]，故此次分析選用三點法來計算垂線平均流速。

3.4 方案確定

對以上的11 種方案，進行了垂線流速與斷面平均流速比值統計，見表2；用回歸分析計算其相關系數R，見表3。

表3 2017 年～2021 年各組合相關系數

從表2 中可見兩垂線組合比單垂線好，其中起點距690m 和1110m 的組合比例系數在0.900～1.000 之間的頻率為99.2%，比例系數在0.950～1.050 之間的頻率為87.3%。

從表3 中可見，單垂線的垂線平均流速與斷面平均流速相關系數R 在0.914 5～0.966 6 之間，兩條垂線平均流速與斷面平均流速相關系數R 在0.963 8～0.984 5之間。其中起點距690m 和起點距1110m 的組合，五年的復相關系數R 在0.977 0～0.984 1 之間，表明該組合斷面平均流速與垂線平均流速的擬合度較高。通過計算，兩條垂線平均流速與斷面平均流速的相對系統誤差和隨機不確定度均滿足聲學多普勒流量測驗規范（T/CHES 61-2021）第6.5 節中關系線定線與檢驗的要求。

綜合上述以及測驗斷面沖淤變化和航運安全等因素，認為選擇起點距690m 和起點距1110m 的組合計算的垂線平均流速為最佳。并對此代表垂線進行了符號檢驗，適線檢驗，偏離數值檢驗，數值分別為0.91，0.56，-0.05，均滿足規范規定定線要求。

4 誤差分析

為檢驗研究成果（垂線690 與垂線1110 組合）是否滿足精度要求，選取2017 年～2021 年393 個測次進行誤差分析，水位為22.65m～8.35m，分別用每年的回歸方程計算垂線平均流速，以每年的實測大斷面為依據推求實測流量時的斷面面積，從而推算出在線斷面流量，結合實測流量數據進行分析，相關關系見圖3。

圖3 2017 年～2021 年流量相關關系圖

根據誤差分析，這五年的在線斷面流量與實測斷面流量系統誤差為-0.46%，隨機不確定度為9.80%，相對誤差絕對值不大于0.06 的個數占總數的80.7% ，不大于0.05 的個數占總數的73.8%，表明70%以上的測次誤差均在0.05 以下。其中實測最大流量為65 700m3/s，推算出的在線斷面流量為64 539m3/s，相對誤差為-1.77%，滿足規范要求；由圖3 可見，在線斷面流量和實測斷面流量線性關系較好，成果精度滿足規范要求，垂線組合具有很好的代表性，適用于九江水文站的流量測驗在線監測。

5 結論

（1）流量在線監測指標流速垂線選址，應充分考慮測站控制條件，盡量選擇河床穩定、沖淤變化不大的斷面。優先考慮單一代表垂線，當精度不滿足要求時，選擇兩條代表垂線計算分析。九江水文站從上述計算數據分析，起點距為690m 和1 110m 的兩條垂線組合的垂線平均流速與斷面平均流速有較好的關系，可以直接用來作為該站流量在線監測使用的代表性垂線。

（2）由于九江水文站的流量斷面分布和測站特性，斷面上起點距600m 以左沖淤變化較大，起點距1 000m至右岸河床穩定，且此次用實測大斷面推求面積時，就發現在實測大斷面以后的一至二月，面積誤差較小，特別是在主汛期7～9 月絕對誤差最大偏小1 900，2020 年特大洪水年的主汛期絕對誤差偏小達2 600，因此水道斷面測量要加密，以減少借用斷面帶來的誤差。同時，建議增加H-ADCP 自動測流設備，采用指標流速法，建立在線平均流速的指標流速關系，進一步提高流量在線監測的精度。