多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

馬國榮

四川省成都水文水資源勘測(cè)局，四川成都 611130

為探討在走底河床應(yīng)用多普勒剖面流速的方法，我們?cè)诙冀撸▋?nèi)江）水文站進(jìn)行了一次多普勒剖面流速儀測(cè)流試驗(yàn)。在當(dāng)時(shí)水位的條件下，河寬約60m、最大水深約3.3m、最小水深約0.5m、斷面平均流速2.6m/s、最大垂線平均流速4.1m/s，屬于寬淺河道。現(xiàn)場(chǎng)使用多普勒剖面流速儀為多頻走航式ADCP-M9，該儀器可根據(jù)河道中測(cè)點(diǎn)深度和含沙量自動(dòng)調(diào)節(jié)工作頻率，以減小測(cè)驗(yàn)死區(qū)來提高測(cè)驗(yàn)成果的可信度，多頻工作方式與是否能減少河床走底對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的影響沒有直接關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，河床存在明顯的走底現(xiàn)象?，F(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)將ADCP 在走底河流的應(yīng)用條件做一介紹。

1 為什么河流走底會(huì)對(duì)多普勒剖面流速的測(cè)流產(chǎn)生影響

河流走底對(duì)于傳統(tǒng)方法流量測(cè)驗(yàn)（如機(jī)械式流速速儀測(cè)驗(yàn)或浮標(biāo)流量測(cè)驗(yàn)）影響不大，但對(duì)于應(yīng)用多普勒剖面流速儀的流量測(cè)驗(yàn)確需要特別的注意和采取必要的技術(shù)措施。

一般來說，多普勒剖面流速是使用“底跟蹤”來測(cè)量船速的，“底跟蹤”是一種“使用ADCP 來測(cè)量船速和船體相對(duì)位置”的技術(shù)。多普勒剖面流速測(cè)驗(yàn)從發(fā)射超聲脈沖到接收從河底反射的回波這二者之間的“多普勒頻移”，“多普勒頻移”與船速成正比。多普勒剖面流速儀用底跟蹤技術(shù)來計(jì)算船只通過河道斷面時(shí)的實(shí)際速度和相對(duì)位置。通過底跟蹤的技術(shù)，由ADCP 計(jì)算出相對(duì)于底跟蹤的速度和方向的水流速度，從而計(jì)算得到斷面的流量。

而河床的質(zhì)地不同，底跟蹤的效果會(huì)有很大差別，一般來說，由泥沙、砂土、巖石和硬質(zhì)泥土等構(gòu)成的堅(jiān)硬、穩(wěn)定的河床，適合使用底跟蹤技術(shù)；疏松而不穩(wěn)定的河床，或者沿著河床會(huì)移動(dòng)的懸移質(zhì)、軟質(zhì)泥土或植被等較多的河床，使用底跟蹤會(huì)存在誤差。

2 使用多普勒剖面流速儀驗(yàn)證河流是否走底的方法有三種

1）將多普勒剖面流速固定在河中可能有走底情況的垂線至少5min，用軟件記錄一個(gè)數(shù)據(jù)文件：船跡會(huì)顯示出從開始點(diǎn)向上游方向移動(dòng)，顯示的“DMG”（直線距離）較大（表示有走底現(xiàn)象）。當(dāng)船跡沒有明顯向上游方向移動(dòng)時(shí)，顯示的“DMG”較小。

2）在河岸上設(shè)一個(gè)固定點(diǎn)，開始記錄數(shù)據(jù)。然后慢慢地橫跨斷面航行到對(duì)岸，抵達(dá)對(duì)岸后調(diào)頭，再慢慢地駛向原始的開始點(diǎn)。船跡會(huì)顯示出向上游方向移動(dòng)的情況，顯示的“DMG”較大（表示有走底現(xiàn)象）。當(dāng)顯示的船跡沒有明顯的向上游方向移動(dòng)的情況，顯示的“DMG”也較小。（表示無走底現(xiàn)象）。

3）使用DGPS 即差分全球定位系統(tǒng)連接到ADCP，同時(shí)用“底跟蹤”和用“DGPS”進(jìn)行測(cè)量并將結(jié)果進(jìn)行比較。底跟蹤顯示的船跡與DGPS 顯示的船跡偏離，并有向上游移動(dòng)的情況（以DGPS 為參考 ）（表示有走底現(xiàn)象）。底跟蹤顯示的船跡與DGPS 顯示的船跡相似（表示無走底現(xiàn)象）。

3 實(shí)測(cè)過程

都江堰（內(nèi)江）水文站本身架有過河纜道，作為常規(guī)的測(cè)流手段。這次多普勒剖面流速儀的試驗(yàn)就利用纜道設(shè)備作為測(cè)流過河的工具，拖曳ADCP 三體船橫跨河道完成一次流量的測(cè)驗(yàn)。

由于現(xiàn)場(chǎng)流速較大，底部河床有產(chǎn)生走底現(xiàn)象，本次測(cè)流采用了RTK GPS（即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法GPS 測(cè)量方法，在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量）作航跡和船速的參考，以避免因?yàn)楹哟驳淖叩?，造成用底跟蹤作參考的測(cè)驗(yàn)誤差。其最大的優(yōu)點(diǎn)是在啟用了RTK GPS 作航跡和船速的參考這個(gè)功能的同時(shí)，不僅記錄了GPS 作參考的所有原始數(shù)據(jù)，同時(shí)仍然保留著用底跟蹤作參考的航跡和流速的所有原始數(shù)據(jù)，既同時(shí)保存著三種不同參考方式的數(shù)據(jù)GPS GGA（全球定位系統(tǒng)位置定位資料）數(shù)據(jù)、GPS VTG（全球定位系統(tǒng)方向及速度相關(guān)資料）數(shù)據(jù)、底跟蹤數(shù)據(jù)，并可以在后處理時(shí)進(jìn)行分析和比較。

按照我國的多普勒測(cè)流規(guī)范，在測(cè)量前要做羅盤校正，通過羅盤校正，使其內(nèi)置羅盤能夠得到補(bǔ)償，而指向磁場(chǎng)正北方向。當(dāng)RTK GPS 用于計(jì)算河流流量時(shí)，重要的一點(diǎn)便是ADCP內(nèi)置羅盤應(yīng)以大地的正北方向作參考。操作時(shí)將當(dāng)?shù)氐拇牌禽斎氲絉iverSurveyor Live 軟件中，就可以使羅盤的磁極北轉(zhuǎn)換為大地北。這樣做的目的是為了解決和補(bǔ)償任何磁偏角的設(shè)定偏差或者較差的羅盤校正導(dǎo)致的航向誤差和造成的流量計(jì)算偏差。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，多普勒剖面流速儀配備了通訊距離為1000 米的無線傳輸數(shù)據(jù)的方式。無線電臺(tái)的終端安放在岸上，將其采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)控制測(cè)量的開始和結(jié)束，整個(gè)測(cè)量過程所有的數(shù)據(jù)保存在ADCP 的內(nèi)置存儲(chǔ)器中，并在儀器內(nèi)部實(shí)時(shí)進(jìn)行流量計(jì)算，計(jì)算機(jī)只是起了顯示和監(jiān)測(cè)作用。在都江驗(yàn)的整個(gè)測(cè)驗(yàn)時(shí)間自12：13時(shí)開始，12：45時(shí)結(jié)束，共 32 分鐘，施測(cè)了4 個(gè)測(cè)回、4 個(gè)測(cè)次。每個(gè)測(cè)次平均3 分鐘左右。按照水文規(guī)范的要求，將4 個(gè)測(cè)次的流量值，進(jìn)行平均，然后得到本次流量的最終流量數(shù)據(jù)。表1 是從軟件中給出的流量測(cè)量成果匯總表截圖。

表1 2009 年7 月30 日M9 都江堰水文斷面流量測(cè)量成果匯總表

從表中，可以得到的數(shù)據(jù)為：平均流量值為 386 立方米/秒，標(biāo)準(zhǔn)偏差3.88，誤差為1.0%；實(shí)測(cè)流量部分的百分比為76.7%。上述實(shí)測(cè)的成果，是采用低頻垂直波束測(cè)量水深，并采用RTK-GPS 作為流速和航跡的測(cè)量參考。4 次測(cè)量中，其中第4 測(cè)次偏離平均值最大，它的實(shí)測(cè)流量為392 立方米/秒；與平均值386 立方米/秒相比，最大的測(cè)量誤差為 1.55%。4次測(cè)量的平均誤差僅為1.0 %，多普勒剖面流速儀的重復(fù)性較好。

在整個(gè)測(cè)流過程中，多普勒剖面流速儀檢測(cè)到了明顯的河床走底現(xiàn)象。其不僅可以顯示采用底跟蹤做參考的測(cè)量航跡，同時(shí)也能顯示采用 DGPS 做參考的測(cè)量航跡。二種不同參考測(cè)量得到的航跡在某個(gè)區(qū)域是不同的，而且底跟蹤參考的航跡是偏向于 DGPS 航跡的上游。這是典型的河床走底現(xiàn)象。同時(shí)，從不同測(cè)次的航跡比較，可以看到在不同時(shí)刻，河床走底的位置和走底的程度都是不一樣的。這是符合水流和流態(tài)永遠(yuǎn)不會(huì)重復(fù)的自然規(guī)律。

從軟件的后處理分析，如果采用底跟蹤做參考的話，測(cè)得的流量會(huì)減少約2～5 %不等。因此，對(duì)于都江堰（內(nèi)江）水文站測(cè)流斷面而言，這種走底現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)向偏移，在此條件下，若采用多普勒剖面儀測(cè)流時(shí)，是需要采用DGPS 或RTK-GPS 來提供精確的流量值。

通常，僅檢查數(shù)據(jù)的結(jié)果是不容易看出走底現(xiàn)象的，其剖面儀集成了內(nèi)置GPS，因此，有可能在同一個(gè)軟件中，顯示二種不同參考時(shí)的航行軌跡，給使用者有一個(gè)明確的提示，河床是否存在著走底現(xiàn)象，從而保證測(cè)驗(yàn)的精度。

4 結(jié)論

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：對(duì)明顯存在著河流走底現(xiàn)象河床的流量測(cè)驗(yàn)，使用多普勒剖面流速儀的底跟蹤功能，會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏??；配備了DGPS 或 RTK GPS 后走航式ADCP 后，可以精確測(cè)量真實(shí)船速，自動(dòng)修正原有誤差，測(cè)量結(jié)果較精確。為解決河床走底流量偏小問題提供了一個(gè)有效地解決方法。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)《聲學(xué)多普勒流速剖面儀》GB/T 24558-2009[Z].

[2]中華人民共和國水利部《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》SL337-2006[Z].

[3]朱進(jìn)，蔣建平，石照泉，劉漢偉.GPS安裝對(duì)ADCP測(cè)驗(yàn)精度的影響分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2010(6)：28-29.