走航式ADCP在引黃濟(jì)津潘莊線路應(yīng)急輸水測(cè)驗(yàn)中的運(yùn)用

吳曉楷，張 淼

（海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東德州 253009）

1 引黃濟(jì)津潘莊線路及水文站基本情況

2010年初，為了滿足天津市供水需要，國(guó)家決定新辟引黃濟(jì)津潘莊應(yīng)急輸水線路，線路主要利用原有河流、渠道，從山東省德州市境內(nèi)的黃河潘莊渠首閘引水，經(jīng)潘莊總干渠入馬頰河，再經(jīng)沙楊河、頭屯干渠、六五河，穿漳衛(wèi)新河倒虹吸后入南運(yùn)河，至天津市九宣閘。

為加強(qiáng)水量監(jiān)測(cè)和輸水管理、保證天津市供水安全，引黃濟(jì)津新輸水線路于穿漳衛(wèi)新河倒虹吸后新開(kāi)挖的輸水明渠上新建四女寺引黃水文站，于南運(yùn)河山東、河北兩省交界處新建第三店水文站，承擔(dān)引黃濟(jì)津應(yīng)急調(diào)水期間的水文監(jiān)測(cè)任務(wù)，監(jiān)測(cè)斷面分別設(shè)立于漳衛(wèi)新河倒虹吸出口明渠、南運(yùn)河山東和河北兩省交界處的第三店。依據(jù)《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)》，為提高水文測(cè)報(bào)能力，滿足水文信息采集、處理與傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院蜁r(shí)效性的要求，在輸水測(cè)驗(yàn)中引進(jìn)了走航式ADCP測(cè)流技術(shù)。走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀 （英文簡(jiǎn)稱ADCP）測(cè)量河流、水渠流量性能十分穩(wěn)定且測(cè)流速度快，裝備有ADCP的三體船從河流某斷面一側(cè)航行至另一側(cè)，能在幾分鐘內(nèi)測(cè)出流量，比傳統(tǒng)流速儀法效率提高數(shù)倍，是一種快速、有效的測(cè)流儀器。

2 ADCP的測(cè)流原理

ADCP流量測(cè)驗(yàn)原理與傳統(tǒng)流速儀法一樣，是將整個(gè)測(cè)流斷面劃分為許多子斷面 （即布設(shè)多條垂線），在每個(gè)子斷面中垂線處測(cè)量水深和多點(diǎn)的流速?gòu)亩玫酱咕€（即子斷面）平均流速。ADCP測(cè)流是由專(zhuān)用設(shè)備向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，這些脈沖碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）發(fā)生背散射，ADCP接受回波信號(hào)并處理得到流速。

2.1 不同坐標(biāo)下的流速及其轉(zhuǎn)換

ADCP首先測(cè)量的是沿聲束方向的流速分量。根據(jù)聲束角，將聲束坐標(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成ADCP坐標(biāo)（X-Y-Z）下的流速分量。利用羅盤(pán)提供的方向、傾斜計(jì)提供的縱搖和橫搖數(shù)據(jù)，將ADCP坐標(biāo)（X-Y-Z）下的流速分量轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)下的流速分量——東向、北向和垂向分量。

2.2 深度單元和流速剖面

水流在垂向上被分割成若干層，叫做深度單元（Depth Cell）。1臺(tái)ADCP相當(dāng)于許多臺(tái)單點(diǎn)流速儀。

2.3 水跟蹤和底跟蹤

由水中顆粒的回波測(cè)量水流相對(duì)于ADCP的運(yùn)動(dòng)，該功能叫做水跟蹤。由河底的回波測(cè)量河底相對(duì)于ADCP的運(yùn)動(dòng)，該功能叫做底跟蹤。如果河底無(wú)推移質(zhì)，底跟蹤測(cè)得的速度即為測(cè)船的速度。ADCP在走航測(cè)量中測(cè)量相對(duì)流速、船速、水深和船的航行軌跡。

2.4 斷面流量

應(yīng)用走航式ADCP進(jìn)行斷面流量橫渡施測(cè)，以測(cè)流斷面的左岸為測(cè)船的起始點(diǎn)、右岸為結(jié)束點(diǎn)，測(cè)船運(yùn)行開(kāi)始、結(jié)束記錄距離左右水邊的距離。測(cè)量時(shí)，測(cè)船從斷面下游駛?cè)霐嗝?，進(jìn)入起點(diǎn)開(kāi)始，測(cè)船運(yùn)行中盡可能沿著測(cè)流斷面勻速運(yùn)行，且運(yùn)行速度不得大于水流流速，直至終點(diǎn)。測(cè)船從左岸開(kāi)始到右岸測(cè)量結(jié)束為半個(gè)測(cè)回，再返回起點(diǎn)為一個(gè)測(cè)回。流量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，斷面實(shí)測(cè)流量值采取ADCP測(cè)船來(lái)回2個(gè)往返，2個(gè)測(cè)回的斷面流量平均值。實(shí)測(cè)的斷面流量包括測(cè)出的部分流量、岸邊流量及上下盲區(qū)流量。

2.4.1 部分流量

其計(jì)算公式為：

式中：Q為部分流量；S為河流斷面面積；u為河流斷面微元點(diǎn)處流速矢量；ξ為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；ds為河流斷面上微元面積。

2.4.2 岸邊流量

其計(jì)算公式為：

式中：QNB為岸邊流量；α為岸邊流速系數(shù)；Aa為岸邊區(qū)域面積；Vm為岸邊區(qū)域平均流速。

2.4.3 上層盲區(qū)和底層盲區(qū)平均流速和流量

上、下盲區(qū)流量應(yīng)選擇正確的外推方法，可用冪函數(shù)流速剖面或常數(shù)流速剖面的假定來(lái)推算表層或底層平均流速及流量。

采用冪函數(shù)流速剖面方法時(shí)，應(yīng)按以下要求執(zhí)行：

（1）明渠均勻流流速在垂向上的分布流速計(jì)算公式為：

式中：u為離河底高度z處的流速；u*為河底剪切流速；z為離河底高度；z0為河底粗糙高度；b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（通常取b=1/6）。

（2）對(duì)應(yīng)于聲學(xué)多普勒流速儀走航測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)之間斷面的表層(上層盲區(qū))流量計(jì)算公式為：

（3）對(duì)應(yīng)于聲學(xué)多普勒流速儀走航測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)之間斷面的底層(盲區(qū))流量計(jì)算公式為：

當(dāng)逆流風(fēng)、溫度梯度、含鹽量梯度造成剪切流速剖面時(shí)，可采用常數(shù)方法進(jìn)行計(jì)算：

（1）常數(shù)流速剖面方法假定表層流速（或f值）為常數(shù)，其值等于第一個(gè)深度單元的流速（或f值），則微斷面內(nèi)表層平均流速x方向分量計(jì)算公式（y方向分量類(lèi)似）為：

（2)底層流速（或f值）也假定為常數(shù)，其值等于最后一個(gè)有效單元的流速（或f值），則微斷面內(nèi)底層平均流速x方向分量計(jì)算公式（y方向分量類(lèi)似）為：

（3）對(duì)應(yīng)于聲學(xué)多普勒流速儀走航測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)之間斷面的表層流量計(jì)算公式為：

（4）底層流量計(jì)算公式為：

2.4.4 走航式ADCP測(cè)流成果總流量

走航式ADCP測(cè)流成果總流量為部分流量、左岸邊流量、右岸邊流量、上層盲區(qū)流量、底層盲區(qū)流量之和。

3 走航式ADCP在引黃濟(jì)津潘莊線路應(yīng)急輸水測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

引黃濟(jì)津潘莊線路倒虹吸出口明渠、第三店水文監(jiān)測(cè)斷面自2010年10月24日通水后，均采用走航式ADCP進(jìn)行水量監(jiān)測(cè)。

3.1 ADCP品牌型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)

ADCP品牌型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 走航式ADCP的品牌、型號(hào)、技術(shù)指標(biāo)

“駿馬”系列“瑞江”牌1 200KHz ADCP包括兩種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和淺水高精度模式。標(biāo)準(zhǔn)模式流速測(cè)量范圍大，剖面深度大，應(yīng)用于大多數(shù)情況；淺水高精度模式流速測(cè)量范圍小，剖面深度小，但流速測(cè)量精度非常高，其流速測(cè)量短期精度可達(dá)1 mm/s的量級(jí)。因此，當(dāng)流速很低、僅為幾厘米每秒的情況下，采用淺水高精度模式效果特別好。此外，還采用寬帶、零盲區(qū)和四波束換能器技術(shù)，提高了測(cè)流精度。

（1）寬帶 （Broadband）：這是ADCP的聲信號(hào)發(fā)射和處理的一種方法。對(duì)于每一個(gè)流速測(cè)量，ADCP發(fā)射兩組或多組脈沖波序列，每個(gè)脈沖波序列由許多子脈沖（稱為編碼單元）組成。ADCP測(cè)量回波序列的相關(guān)系數(shù)及相位差，鏟除粗差，精確計(jì)算流速。其優(yōu)點(diǎn)是流速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差小，垂向空間分辨率高（相當(dāng)于垂線測(cè)點(diǎn)多），時(shí)間分辨率高（相當(dāng)于測(cè)速垂線多）。

（2）零盲區(qū)：提高了測(cè)流精度。

（3）四波束換能器：有效地消除船搖晃的影響，提高測(cè)量的可靠性。如果有一個(gè)波束被阻擋或損壞，其他三個(gè)波束仍然可提供有效數(shù)據(jù)。

3.2 參數(shù)設(shè)定

應(yīng)用走航式ADCP進(jìn)行河道流量實(shí)測(cè)，必須根據(jù)斷面情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

根據(jù)引黃濟(jì)津輸水線路倒虹吸出口、第三店斷面情況，參數(shù)設(shè)定為：換能器吃水：0.07；磁偏角：0；波速角：20°；冪函數(shù)：0.166 7；左岸坡度系數(shù)：0.35；右岸坡度系數(shù)：0.35；岸邊平均點(diǎn)數(shù)：10；最大水深：6 m；最大流速：2 m/s；最大船速：2 m/s；河床類(lèi)型：泥；測(cè)流模式：標(biāo)準(zhǔn)工作模式；上層估算方法：power；下層估算方法：power；最低層數(shù)不能少于2層。

4 結(jié)論和建議

引黃濟(jì)津潘莊應(yīng)急輸水線路首次輸水于2011年4月11日結(jié)束，歷時(shí)170 d，倒虹吸出口測(cè)驗(yàn)斷面流量測(cè)驗(yàn)278次，累計(jì)過(guò)水量7.13億m3，天津九宣閘收水4.2億m3。山東、河北兩省交界處第三店測(cè)驗(yàn)斷面流量測(cè)驗(yàn)265次，累計(jì)過(guò)水量6.69億m3。測(cè)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)河北、山東兩省測(cè)驗(yàn)代表比測(cè)，精度得到了一致認(rèn)可。

引黃濟(jì)津潘莊應(yīng)急輸水線路測(cè)流應(yīng)用實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)測(cè)流方法相比，走航式ADCP測(cè)流提高了流速測(cè)量精度，減輕了測(cè)流勞動(dòng)強(qiáng)度，并極大提高了測(cè)流效率，可以得到更廣泛的運(yùn)用。