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关键词：水文，H-ADCP，误差分析与三项检验。
中图分类号：TV文献标识码： A
摘要：通过对2013年苏州瓜泾口水文站H-ADCP自动测流系统与传统流速仪测流的同步比测资料来分析测验精度误差，了解H-ADCP自动化测流仪器的原理与注意使用事项，从而为大力推广水文新技术的应用寻找理论与实践的依据。
1 概况
瓜泾港西起东太湖，东至京杭大运河，全长1.8km，是东太湖主要出水通道，河宽40～100m。2002年在东太湖入口处建成瓜泾口水利枢纽，由节制闸、船闸、上下游引航道、堤防、公路桥及工程管理设施等组成。其中船闸12*135*2.5m，位于中间，节制闸2*16m对称于船闸两侧。
瓜泾口水文站位于瓜泾港与京杭大运河交汇处，东经120°39′，北纬31°12′。该站测验河段顺直，河床稳定，两岸驳岸整齐，主河宽48m，高水不漫。流向常年以西-東顺流为主，遇区域调水或局部暴雨时有逆流。每日7：00、17：00采用缆道流速仪法施测流量两次，遇特殊水情时加测流量，全年实测流量在730次左右；该站无稳定的水位流量关系，故一直采用实测流量过程线法来推算逐日平均流量。
在省政府关于加强太湖流域水环境监控系统建设的要求下，通过水平声学多普勒流速剖面仪（Horizontal Acoustic Doppler Current Profilers，以下简称H-ADCP）自动测流设备的建设，于2013年开展瓜泾口水文站H-ADCP与缆道流速仪测流比测工作。
2 H-ADCP测流基本原理与方法
2.1 H-ADCP测流基本原理
H-ADCP是利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。H-ADCP一般由三个超声波换能器组成，每个换能器既是发射器又是接收器。其工作原理是将H-ADCP探头固定安装在水面下某一水深处使用，使探头上的两个换能器位于同一平面上，两个超声波换能器成一定角度向对岸发射声波，声波遇到水中和水一起流动的悬浮物会产生反射，部分声波反射至发射端被H-ADCP接收，且反射回来的声波频率随流速的大小而发生频移，根据频移大小可计算出某层水流某一段上各单元的二维矢量流速；只要测验范围达到断面主槽，就能建立稳定的层流速与断面平均流速的关系。另一束超声波则向上发射，遇到水面反射来测得水深，根据水深和仪器安装高程算出水位，由“水位-面积关系表”得到测流断面面积。控制器或电脑利用H-ADCP提供的流速数据及水位数据采用“指标流速法”实时计算流量。
2.2 指标流速法
指标流速法的基本概念是建立断面平均流速与指标流速（即某一层实测流速）之间的相关关系，又称为相关分析法或回归法。指标流速实际是断面上某一层的局部流速，断面平均流速也就是断面上的总体流速，因此，指标流速法的本质是由局部流速来推算出断面流速。
3 瓜泾口站H-ADCP流速与断面流速关系率定
根据瓜泾口站2013年1月1日施测的大断面成果，按断面节点（转折处）作为分级水位，计算出“水位-面积关系表”。然后将“水位-面积关系表”输入到系统监测软件中，当系统监测软件采集到实时水位后自动查找“水位-面积关系表”，从而得出相应的过水面积。
选择瓜泾口站30次以上的大中小流速测点，并时空分布均匀，分布在高中低各级水位。以H-ADCP提供的流速数据为横座标，以流速仪实测断面平均流速为纵座标，建立回归关系，H-ADCP数据的率定常采用一元二次多项式回归方程：。
采用2013年40次的比测测点进行定线分析，如表1：
表1瓜泾口站流速率定成果表
利用EXCEL程序进行回归分析，得出H-ADCP指标流速与断面平均流速一元二次多项式函数的率定关系式：，图1为率定关系图。
图1流速仪实测断面平均流速与H-ADCP指标流速关系图
4 误差计算统计
由率定得到的公式得出表2所列H-ADCP计算流量，图2为相应的流速仪实测流量与H-ADCP计算流量对比图。
表2瓜泾口站流量误差计算表
图2流速仪实测流量与H-ADCP流量对比图
5瓜泾口站H-ADCP拟合流速三项检验
表3H-ADCP流速拟合流速仪实测流速误差计算表
表4比测精度表
1、符号检验：
通过检验；
2、适线检验：
通过检验；
3、偏离数值检验：
通过检验；
4、标准差计算：
6 结语
从比测（误差）成果可以说明，率定公式在野外测量精度误差≤±15%要求下拟合的流量已经达到100%点子符合，而且正负顺流与逆流流量可以定出一根线，说明关系相当好，各种因素影响小，可见H-ADCP法可以代替传统测流方法。通过H-ADCP仪器的安装使用分析，存在以下几个注意点：
1、测流断面位置选择应保证上游测验河段顺直长度满足测验规范所规定的要求，如果达不到测流断面河宽的3~5倍就会因为河段顺直长度较短，则水流平均流向不稳定，使测流断面方向不垂直于河道水流平均流向，出现流向偏角，产生测验误差。按照测验断面安装H-ADCP仪器测流的深度位置要合理，测流方向也要垂直于流向，否则也会产生流向偏角测验误差。
2、流速仪测法得到的是正向与负向的流速叠加，而H-ADCP显示的是正负抵消后的结果，所以H-ADCP测得的流速相对于流速仪流速偏小；
3、H~ADCP存在自身不稳定的系统误差。
7 建议
1、仪器安装要考虑河道内有无通航船只的影响与其他不利测流的情况是否符合H-ADCP仪器安装条件，对河道顺直河流稳定且不受开关闸影响的站址优先考虑安装使用，比测测验测次应该捕捉高中低水位与时空分布合理。
2、传统的流速仪测流，受到人力、物力、天气影响以及时间上的限制，工作量大而且测流麻烦，而H-ADCP自动测流设备，大大减轻了工作强度，而且可以24小时在线监测，增加远程传输设备后可以将河流的流量大小即时数据传送到相关决策部门，方便决策调度，是水文现代化不可缺少的新技术。在适当放宽流量误差精度要求后，可以让更多水文站点应用到H-ADCP新技术。
中图分类号：TV文献标识码： A
摘要：通过对2013年苏州瓜泾口水文站H-ADCP自动测流系统与传统流速仪测流的同步比测资料来分析测验精度误差，了解H-ADCP自动化测流仪器的原理与注意使用事项，从而为大力推广水文新技术的应用寻找理论与实践的依据。
1 概况
瓜泾港西起东太湖，东至京杭大运河，全长1.8km，是东太湖主要出水通道，河宽40～100m。2002年在东太湖入口处建成瓜泾口水利枢纽，由节制闸、船闸、上下游引航道、堤防、公路桥及工程管理设施等组成。其中船闸12*135*2.5m，位于中间，节制闸2*16m对称于船闸两侧。
瓜泾口水文站位于瓜泾港与京杭大运河交汇处，东经120°39′，北纬31°12′。该站测验河段顺直，河床稳定，两岸驳岸整齐，主河宽48m，高水不漫。流向常年以西-東顺流为主，遇区域调水或局部暴雨时有逆流。每日7：00、17：00采用缆道流速仪法施测流量两次，遇特殊水情时加测流量，全年实测流量在730次左右；该站无稳定的水位流量关系，故一直采用实测流量过程线法来推算逐日平均流量。
在省政府关于加强太湖流域水环境监控系统建设的要求下，通过水平声学多普勒流速剖面仪（Horizontal Acoustic Doppler Current Profilers，以下简称H-ADCP）自动测流设备的建设，于2013年开展瓜泾口水文站H-ADCP与缆道流速仪测流比测工作。
2 H-ADCP测流基本原理与方法
2.1 H-ADCP测流基本原理
H-ADCP是利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。H-ADCP一般由三个超声波换能器组成，每个换能器既是发射器又是接收器。其工作原理是将H-ADCP探头固定安装在水面下某一水深处使用，使探头上的两个换能器位于同一平面上，两个超声波换能器成一定角度向对岸发射声波，声波遇到水中和水一起流动的悬浮物会产生反射，部分声波反射至发射端被H-ADCP接收，且反射回来的声波频率随流速的大小而发生频移，根据频移大小可计算出某层水流某一段上各单元的二维矢量流速；只要测验范围达到断面主槽，就能建立稳定的层流速与断面平均流速的关系。另一束超声波则向上发射，遇到水面反射来测得水深，根据水深和仪器安装高程算出水位，由“水位-面积关系表”得到测流断面面积。控制器或电脑利用H-ADCP提供的流速数据及水位数据采用“指标流速法”实时计算流量。
2.2 指标流速法
指标流速法的基本概念是建立断面平均流速与指标流速（即某一层实测流速）之间的相关关系，又称为相关分析法或回归法。指标流速实际是断面上某一层的局部流速，断面平均流速也就是断面上的总体流速，因此，指标流速法的本质是由局部流速来推算出断面流速。
3 瓜泾口站H-ADCP流速与断面流速关系率定
根据瓜泾口站2013年1月1日施测的大断面成果，按断面节点（转折处）作为分级水位，计算出“水位-面积关系表”。然后将“水位-面积关系表”输入到系统监测软件中，当系统监测软件采集到实时水位后自动查找“水位-面积关系表”，从而得出相应的过水面积。
选择瓜泾口站30次以上的大中小流速测点，并时空分布均匀，分布在高中低各级水位。以H-ADCP提供的流速数据为横座标，以流速仪实测断面平均流速为纵座标，建立回归关系，H-ADCP数据的率定常采用一元二次多项式回归方程：。
采用2013年40次的比测测点进行定线分析，如表1：
表1瓜泾口站流速率定成果表
利用EXCEL程序进行回归分析，得出H-ADCP指标流速与断面平均流速一元二次多项式函数的率定关系式：，图1为率定关系图。
图1流速仪实测断面平均流速与H-ADCP指标流速关系图
4 误差计算统计
由率定得到的公式得出表2所列H-ADCP计算流量，图2为相应的流速仪实测流量与H-ADCP计算流量对比图。
表2瓜泾口站流量误差计算表
图2流速仪实测流量与H-ADCP流量对比图
5瓜泾口站H-ADCP拟合流速三项检验
表3H-ADCP流速拟合流速仪实测流速误差计算表
表4比测精度表
1、符号检验：
通过检验；
2、适线检验：
通过检验；
3、偏离数值检验：
通过检验；
4、标准差计算：
6 结语
从比测（误差）成果可以说明，率定公式在野外测量精度误差≤±15%要求下拟合的流量已经达到100%点子符合，而且正负顺流与逆流流量可以定出一根线，说明关系相当好，各种因素影响小，可见H-ADCP法可以代替传统测流方法。通过H-ADCP仪器的安装使用分析，存在以下几个注意点：
1、测流断面位置选择应保证上游测验河段顺直长度满足测验规范所规定的要求，如果达不到测流断面河宽的3~5倍就会因为河段顺直长度较短，则水流平均流向不稳定，使测流断面方向不垂直于河道水流平均流向，出现流向偏角，产生测验误差。按照测验断面安装H-ADCP仪器测流的深度位置要合理，测流方向也要垂直于流向，否则也会产生流向偏角测验误差。
2、流速仪测法得到的是正向与负向的流速叠加，而H-ADCP显示的是正负抵消后的结果，所以H-ADCP测得的流速相对于流速仪流速偏小；
3、H~ADCP存在自身不稳定的系统误差。
7 建议
1、仪器安装要考虑河道内有无通航船只的影响与其他不利测流的情况是否符合H-ADCP仪器安装条件，对河道顺直河流稳定且不受开关闸影响的站址优先考虑安装使用，比测测验测次应该捕捉高中低水位与时空分布合理。
2、传统的流速仪测流，受到人力、物力、天气影响以及时间上的限制，工作量大而且测流麻烦，而H-ADCP自动测流设备，大大减轻了工作强度，而且可以24小时在线监测，增加远程传输设备后可以将河流的流量大小即时数据传送到相关决策部门，方便决策调度，是水文现代化不可缺少的新技术。在适当放宽流量误差精度要求后，可以让更多水文站点应用到H-ADCP新技术。