走航式聲學(xué)多普勒流速儀在黑龍江干流流量測驗中的應(yīng)用

滿春香，劉陽明，柳 恒

（松遼委水文局黑龍江上游水文局，黑龍江 黑河 164300）

隨著水文測驗技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)多普勒技術(shù)在流量測驗的應(yīng)用中日趨成熟。松遼委水文局黑龍江水文局引進(jìn)了聲學(xué)多普勒流速儀（以下簡稱ADP），分別在黑龍江干流的洛古河、上馬廠、卡倫山水文站進(jìn)行暢流期流量比測分析試驗。通過走航式ADP測流技術(shù)與船載轉(zhuǎn)子式流速儀測量技術(shù)的對比分析，驗證ADP在黑龍江干流上進(jìn)行流量測驗的精度和推廣應(yīng)用價值。

1 試驗內(nèi)容與資料收集方法

使用ADP和轉(zhuǎn)子式流速儀同時對固定斷面進(jìn)行流量測驗，通過對測驗成果的比較分析，找出兩種測驗方法的相關(guān)性，探討用走航式ADP代替轉(zhuǎn)子流速儀法測驗的優(yōu)缺點及解決實際應(yīng)用中的疑難問題。

轉(zhuǎn)子式流速儀法是根據(jù)斷面形狀及流速沿河寬的分布特性，合理用13條垂線代表整個斷面，通過施測流速、水深進(jìn)而獲得斷面流量。走航式ADP測驗方法是將ADP安裝在沖鋒舟特制的固定支架上，ADP利用3個探頭發(fā)射的波束施測剖面流速及水深，利用軟件自動合成流量。

2 測船性質(zhì)與儀器設(shè)備

測船采用鋁質(zhì)3.0 m×1.5 m的沖鋒舟，行駛便捷。儀器采用美國SonTek/YSI公司生產(chǎn)的1.5 MHZ的mini-ADP一套，包括換能器、處理器、電纜線、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計算機(jī)。該頻率的ADP測量范圍為：測速范圍0～10 m/s、盲區(qū)0.4 m、最小單元尺寸0.25 m、最小測量深度0.90 m、最大測量深度25 m。頻率與水深成反比，頻率越高，測到的水深越小。

在現(xiàn)場測驗前，先做了底沙運動檢測，確定測驗斷面較為穩(wěn)定，故不需外接GPS。根據(jù)現(xiàn)場測驗情況，在沖鋒舟船弦側(cè)特制一個固定支架，用來安裝固定ADP的換能器，換能器與船弦的距離為0.50 m。ADP處理器放在船內(nèi)并通過數(shù)據(jù)線與換能器相連，整個安裝體系牢固穩(wěn)定，保證無鐵磁質(zhì)影響。換能器的入水深度，根據(jù)測船的航行速度、水流速度、水面波浪的大小、吃水深度等因素而綜合考慮，使換能器在整個測驗過程中始終不會露出水面。

3 走航式ADP流量原理

ADP流量由中部平均流量、岸邊估算流量、上下盲區(qū)估算流量組合而成。每一微斷面內(nèi)中部平均流速由ADP直接測出，其值為所有有效單元所測流速之平均。x方向分量由下式算出（y方向分量類似）：

式中：uxj——單元j中所測的x方向流速分量。

則對應(yīng)于ADP走航測量起點和終點之間斷面的中部流量：

式中：fj——單元流量；Dc——單元長度；△t——單元時間；Vby——y方向流速分量；Vbx——x方向流速分量。

對于岸邊非實測區(qū)域，可以利用經(jīng)驗方法估算流速和流量。岸邊區(qū)域平均流速Va的計算公式為：

式中：Vm——起點微斷面(或終點微斷面)內(nèi)的深度平均流速；α——岸邊流速系數(shù)。

岸邊流量QNB由下式估算：

式中：Aa——岸邊區(qū)域面積。

上下盲區(qū)流量的估算采用冪函數(shù)流速剖面方法：明渠均勻流流速在垂向上的分布可以由以下公式來表示：

式中：u——離河底高度z處的流速；u*——河底摩阻流速；z0——河底粗糙高度；b——經(jīng)驗常數(shù)（取 b=1/6）。

則對應(yīng)于ADP走航測量起點和終點之間斷面的表層流量由下式算出：

類似地，底層流量由下式算出：

4 比測數(shù)據(jù)分析

4.1 水深和平均流速的定點測量比測

同時使用ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀測量同一條垂線的“水深”和“平均流速”。兩個儀器同時安裝，并同時采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過對采集的177個樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)87%的樣本水深誤差不超過±3%，另外13%的樣本水深誤差在±3%～±6%，考慮到用鉛魚測深方法的精度為0.1 m，這個差值可忽略不計。

經(jīng)對177個樣本比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測平均流速實測的對比結(jié)果極其相近，兩者流速比測絕對誤差平均值為0.01 m/s，相對系統(tǒng)誤差為-2.8%，其誤差在ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀的測量精度范圍內(nèi)。

4.2 不同水位級垂線流速比測與分析

轉(zhuǎn)子式流速儀法進(jìn)行流量測驗，垂線流速測點分布采用三點法（0.2，0.6，0.8）。垂線平均流速采用公式Vm=（V0.2+V0.6+V0.8）/3來計算。而用ADP測量的每條垂線多達(dá)10個單元以上，而且是將各單元的平均流速和經(jīng)過理論補(bǔ)償而得到的非實測區(qū)流速的平均值來代表整條垂線的平均流速。每個單元的水深為0.25 m，在較深的河道最多可實測40多個單元。流速儀法計算得到的垂線平均流速與ADP實測的垂線平均流速之間的誤差，一般在5%以內(nèi)。

用ADP所測斷面平均流速與轉(zhuǎn)子式流速儀測驗計算得到的斷面平均流速之間建立回歸方程，其回歸系數(shù)R2為0.959 7，是一個相關(guān)性較為穩(wěn)定的關(guān)系。

4.3 不同水位級斷面流量比測與分析

采用傳統(tǒng)的船載轉(zhuǎn)子式流速儀法和ADP進(jìn)行比測，傳統(tǒng)的方法是在固定斷面實測13條測速垂線流速以及起點距，通過計算流速、面積來求得流量。ADP采用走航式在同一斷面施測流量，水邊距離用電子測距儀測量，測量精度為0.5 m。岸邊系數(shù)α選用0.70，用RiverSurveyor4.31測流軟件操作ADP并計算流量。洛古河水文站部分流量測驗比測數(shù)據(jù)分析，見表1。

由表1可知：比測流量誤差均小于±5%，其系統(tǒng)誤差為-1.96%，隨機(jī)不確定度為5.92%。兩種測驗方法所得水位～流量關(guān)系線圖見圖1。

表1 洛古河水文站流量比測數(shù)值分析表

圖1 水位流量關(guān)系線對照圖

從圖1可知，兩種測驗方法所測流量相對誤差較小，流量測點分布均勻，單一線關(guān)系良好，只是在高水位94.82 m處測點的系統(tǒng)偏差稍大。傳統(tǒng)的測驗只取固定斷面的13條代表垂線的流速和水深來進(jìn)行流量計算，而ADP則通過測量所經(jīng)過的整個水體各個不同流層的流速以及水深來計算流量，并且是兩個測回的數(shù)據(jù)平均值。因此，ADP所測的水體范圍廣、代表性強(qiáng)、精度更高。ADP與流速儀二者之間存在著很好的相關(guān)性，ADP代替流速儀法進(jìn)行流量測驗可以保證資料的延續(xù)性。

4.4 低水位流量測驗的分析

2007年8月19日洛古河站水位為91.66 m，為暢流期低水位。洛古河站斷面河槽呈W形，斷面中間部分測得最小水深為0.93 m，此處ADP出現(xiàn)底跟蹤失效，無法測到垂線流速。究其原因水深已接近ADP所能適用的最小水深0.90 m，加之淺灘邊緣水流較急，測船體積小很難使船速小于流速，導(dǎo)致底跟蹤失效。對于出現(xiàn)特低水的情況，可以購置頻率更高的ADP，使最小測量深度范圍變大，來滿足測驗需要。

5 走航式ADP相關(guān)系數(shù)

5.1 岸邊流速系數(shù)變化與選用

因為每次測驗的岸邊起始點都設(shè)在ADP最大限度的測深范圍內(nèi)，此時距岸邊一般在20 m以內(nèi)，岸邊區(qū)的形狀基本上為水深均勻變淺的斜坡岸邊。根據(jù)岸邊系數(shù)和斷面形狀，結(jié)合轉(zhuǎn)子式流速儀測驗的經(jīng)驗，岸邊系數(shù)采用0.7。

5.2 垂線流速分布與插補(bǔ)模型（冪指數(shù)或常數(shù)）

垂線流速表層和底層分布依據(jù)河底情況和以前測驗流速分布情況，確定垂線流速分布插補(bǔ)采用公式（5），其中經(jīng)驗常數(shù)b取1/6。

6 結(jié)語

1）ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀的單次流量測驗相對誤差均小于5%，符合一類精度水文站的測驗要求。而且兩種測驗資料的相關(guān)延續(xù)性較好。走航式ADP作為一種先進(jìn)的測流儀器可以滿足暢流期測驗的各項需求。

2）走航式ADP流量測驗一個測回的時間大約需要15～20 min，3個測驗人員即可完成；而轉(zhuǎn)子式流速儀法的流量測驗需要2～3 h，測驗人員需要6人以上方可完成。使用走航式ADP測驗大大節(jié)省時間、人力、物力和財力。

3）走航式ADP可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實測數(shù)據(jù)的技術(shù)人員可以在室內(nèi)完成，不必受天氣等其它因素的影響，同時可以獲得整個測驗過程的所有數(shù)據(jù)。在測量的過程中，可以監(jiān)視和分析整個測流過程的合理性，大大提高了測驗的效率和精度。

4）對于整個黑龍江干流流域，其水深一般在3～20 m之間，斷面含沙量不大于500 g/m3（一般認(rèn)為ADP適用于含沙量不大于10 kg/m3的河流測驗）。這種水流特性非常適宜使用ADP，根據(jù)不同的水深可以選擇合適頻率的ADP來滿足測驗要求，應(yīng)用走航式ADP進(jìn)行流量測驗，省時省力。