ADCP 基本原理及比測(cè)試驗(yàn)

趙勝凱

河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局

流速儀施測(cè)流量的測(cè)量成果可以作為率定或校核其他測(cè)流方法的標(biāo)準(zhǔn)。ADCP 是目前世界上比較先進(jìn)的河流流量實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備，為加快石家莊水文現(xiàn)代化建設(shè)，近年來(lái)河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局先后引進(jìn)3 臺(tái)走航式ADCP 測(cè)流設(shè)備。為了率定ADCP 與流速儀測(cè)流折算系數(shù)，在2008年南水北調(diào)京石段應(yīng)急供水期間，利用石津渠測(cè)流斷面對(duì)走航式ADCP 測(cè)流與流速儀精測(cè)法測(cè)流進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)取得的換算系數(shù)進(jìn)行了水文檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)參數(shù)修正，提高了該儀器測(cè)驗(yàn)精度，達(dá)到正式應(yīng)用的目的。

ADCP 是 英 文“Acoustic Doppler Current Profiler”的縮寫(xiě)，中文譯為聲學(xué)多普勒流速剖面儀。ADCP 是當(dāng)今測(cè)流儀器中先進(jìn)設(shè)備的代表，專(zhuān)門(mén)用于河流、水渠或狹窄海峽的流量測(cè)量工作，該儀器性能穩(wěn)定，是一種快速、有效的測(cè)流設(shè)備。當(dāng)安裝有該設(shè)備的測(cè)船從河流某斷面一側(cè)岸邊運(yùn)行至另一側(cè)岸邊時(shí)，就能實(shí)時(shí)測(cè)出并顯示該河流的流量、水深及斷面面積，與傳統(tǒng)的流速儀側(cè)法比較省時(shí)、省力，效率大大提高。

ADCP 基本原理及流量計(jì)算

基本原理

我局ADCP 配有換能器四個(gè)，ADCP 軸線與換能器成一固定角度，四個(gè)換能器既發(fā)射信號(hào)又接收信號(hào)，換能器發(fā)射的是聲波脈沖信號(hào)。這些聲波脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒后產(chǎn)生反射波，換能器接收并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個(gè)頻率改變即稱(chēng)多普勒頻移，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP 的速度。同時(shí)，還向河底發(fā)射底跟蹤聲波脈沖，測(cè)出ADCP 安裝平臺(tái)（測(cè)船）的運(yùn)動(dòng)速度以及水深，然后將水流相對(duì)速度扣除船速得到水流的絕對(duì)速度。聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由下式確定：

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移；F 為換能器發(fā)射頻率；V 為水體懸浮顆粒沿聲波方向的移動(dòng)速度（即同聲波方向一致的流度）；C 為聲波在水中的傳播速度。2 為系數(shù)，因?yàn)锳DCP 的換能器既發(fā)射聲波束又接收回波，所以多普勒頻移要加倍。

比測(cè)試驗(yàn)

本次比測(cè)試驗(yàn)的比測(cè)斷面位于石津干渠向南水北調(diào)總干渠分水口前150m，該斷面為漿砌石斷面，無(wú)沖於變化。ADCP 設(shè)備按技術(shù)要求安裝在三體船上，利用纜道拉動(dòng)測(cè)船進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，在同一斷面，同一纜道進(jìn)行流速儀精測(cè)法流量測(cè)驗(yàn)。

參數(shù)設(shè)置

本次比測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)驗(yàn)河段的實(shí)際情況對(duì)ADCP進(jìn)行了參數(shù)配置，以使其達(dá)到最佳的流量測(cè)驗(yàn)成果。

比測(cè)時(shí)ADCP 主要設(shè)置參數(shù)如下：

測(cè)試單元深度：10cm；

測(cè)試單元數(shù)量：30 層；

水體發(fā)射脈沖次數(shù)：5；

底跟蹤發(fā)射脈沖次數(shù)：4；

水體含鹽度：0.0 ppt；

比測(cè)時(shí)流量測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簑m1。

流速儀采用LS25-1 型，在整個(gè)斷面布設(shè)9 條垂線，每條垂線布設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

流量比測(cè)

安裝有ADCP 的測(cè)船固定在跨河道的纜道上沿著測(cè)流斷面線勻速運(yùn)行進(jìn)行測(cè)量。從左岸開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量到右岸結(jié)束，再?gòu)挠野堕_(kāi)始測(cè)量到左岸結(jié)束，這一個(gè)往返為一個(gè)測(cè)次。一個(gè)測(cè)流過(guò)程為兩個(gè)測(cè)次，四個(gè)來(lái)回。然后利用ADCP 程序計(jì)算出4 次流量的平均值和流速儀精測(cè)法計(jì)算出的流量進(jìn)行比較。

流速儀精測(cè)法使用同一纜道，沿同一斷面進(jìn)行測(cè)量。在斷面上布設(shè)9 條垂線，每條垂線上布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)27 個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后根據(jù)水文規(guī)范要求計(jì)算出流量與ADCP 進(jìn)行比測(cè)。

面積比測(cè)

此斷面為人工漿砌石斷面，表面較光滑，無(wú)沖淤變化，用流速儀法測(cè)流時(shí)，斷面面積采用實(shí)測(cè)大斷面成果計(jì)算。用走航式ADCP 測(cè)流時(shí)人工輸入左右岸水邊距離，其余斷面數(shù)據(jù)均由儀器實(shí)測(cè)，然后將結(jié)果進(jìn)行比較。

資料整理分析

根據(jù)石津渠站34 次對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)資料計(jì)算出流量平均相關(guān)系數(shù)為0.93、斷面面積平均相關(guān)系數(shù)為1.01、平均流速平均相關(guān)系數(shù)為0.92。以ADCP 實(shí)測(cè)流量值為橫坐標(biāo)，以流速儀實(shí)測(cè)流量值為縱坐標(biāo)，建立相關(guān)關(guān)系。比測(cè)實(shí)驗(yàn)流量計(jì)算成果見(jiàn)表1，流量關(guān)系式為。

表1 石津渠站比測(cè)試驗(yàn)流量計(jì)算成果

為了檢查流量相關(guān)關(guān)系正確性，要對(duì)相關(guān)關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離系數(shù)檢驗(yàn)和定線經(jīng)度計(jì)算。

符號(hào)檢驗(yàn)

式中：μ 為統(tǒng)計(jì)量；n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k 為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)。

適線檢驗(yàn)

式中：μ 為統(tǒng)計(jì)量；n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k 為變換符號(hào)次數(shù)，k＜0.5(n-1)時(shí)作檢驗(yàn)，否則不作此檢驗(yàn)。

偏離數(shù)值檢驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)差

式中：se為實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差；iQ 為第i 次實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)量；Qci為與第i次實(shí)測(cè)值相對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線上的水面蒸發(fā)量；n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

三種檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，計(jì)算誤差均在要求范圍之內(nèi)。

表2 走航式ADCP 與流速儀流量比測(cè)實(shí)驗(yàn)三種檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果

斷面面積測(cè)量偏差：用流速儀法測(cè)流時(shí)，斷面面積采用實(shí)測(cè)大斷面成果計(jì)算，數(shù)據(jù)可靠。用走航式ADCP 測(cè)流時(shí)人工輸入左右岸水邊距離，其余斷面數(shù)據(jù)均由儀器實(shí)測(cè)，走航式ADCP 測(cè)流時(shí)有盲區(qū)，因此實(shí)測(cè)面積偏小。經(jīng)計(jì)算，多次平均相關(guān)系數(shù)為1.01，系數(shù)偏小0.05%。

斷面平均流速測(cè)量偏差：用流速儀法測(cè)流時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)流速100s，基本消除了流速脈動(dòng)的影響，而用走航式ADCP 測(cè)流時(shí)的流速是瞬時(shí)流速，受脈動(dòng)影響較大。走航式ADCP 測(cè)流時(shí)實(shí)測(cè)斷面平均流速偏大。經(jīng)計(jì)算，多次相關(guān)系數(shù)為0.92，系統(tǒng)偏大15.3%。

在斷面面積測(cè)量偏差和斷面平均流速測(cè)量偏差綜合影響下，走航式ADCP 流量成果與流速儀精測(cè)法流量成果的折算系數(shù)為0.93。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)走航式ADCP 與流速儀精測(cè)法流量比測(cè)試驗(yàn)，二者換算系數(shù)為0.93，造成走航式ADCP 流量成果偏大的主要原因是斷面平均流量測(cè)量偏差，斷面面積測(cè)量偏差影響較小。經(jīng)過(guò)修正之后的流量均值滿(mǎn)足水文測(cè)驗(yàn)的精度要求。