淺談在線ADCP在荊山水文站水文測(cè)驗(yàn)中的比測(cè)分析及應(yīng)用

廣東省水文局陽江水文測(cè)報(bào)中心 529700

摘要：在線ADCP水文測(cè)驗(yàn)是一種目前測(cè)量河流流量較為先進(jìn)的技術(shù)。本文通過在線ADCP在荊山水文站水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例，分析其在漠陽江流域潭水河控制站中的比測(cè)數(shù)據(jù)，介紹了在線ADCP儀定點(diǎn)測(cè)流的成功應(yīng)用，并對(duì)出現(xiàn)的一些技術(shù)處理問題進(jìn)行探討，以期在線ADCP水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)能更好更廣泛地推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：在線ADCP；比測(cè)分析；荊山

1 荊山水文站基本情況

荊山水文站建于1958年6月，位于廣東省漠陽江一級(jí)支流潭水河的中下游，該站距離河口38km，集水面積950km2，為漠陽江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用以及水工程的建設(shè)管理，系統(tǒng)地收集水文資料。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降雨量、泥沙、蒸發(fā)等項(xiàng)目。建站以來，實(shí)測(cè)最高水位25.10m，出現(xiàn)日期為1973年08月13日，相應(yīng)流量2390m3/s；調(diào)查最高水位26.10m，出現(xiàn)日期為1939年5月22日。

荊山水文站控制的河流是典型的山區(qū)河流，洪水過程暴漲暴退，洪水時(shí)漂浮物多，給流量測(cè)驗(yàn)工作帶來很大的難度和危險(xiǎn)性。為改善流量測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性，該站更新了半自動(dòng)纜道流量測(cè)驗(yàn)的常規(guī)測(cè)流法，2007年9月，引進(jìn)了美國SonTek公司“淘金者—SL”（ArgonantSL）500kHz型側(cè)視式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（以下簡(jiǎn)稱在線ADCP）。

2 在線ADCP測(cè)流工作原理

在線ADCP是一種“聲學(xué)多普勒流速儀”，它配備有4個(gè)換能器，與儀器軸線成一定夾角。每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射的聲波能量集中于較窄的范圍內(nèi)，稱為聲束。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波。這些聲脈沖碰到水體中懸浮的隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒時(shí)，聲脈沖將被運(yùn)動(dòng)的微粒所散射，散射脈沖頻率將發(fā)生變化，該頻率和發(fā)射脈沖頻率之差即為多普勒頻差。多普勒頻差與光的波長(zhǎng)成反比，與聲學(xué)系統(tǒng)的幾何參數(shù)及粒子運(yùn)動(dòng)速度成正比。當(dāng)確定在線ADCP波長(zhǎng)和幾何參數(shù)后，只要檢測(cè)出多普勒頻差，就可以確定運(yùn)動(dòng)的速度了。在線ADCP向水體發(fā)射聲脈沖，測(cè)出水體相對(duì)于在線ADCP的速度；在線ADCP同時(shí)還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測(cè)出 在線ADCP相對(duì)于河底的運(yùn)動(dòng)速度，然后算出水流相對(duì)于河底的真實(shí)流速。

多普勒方程為：

式中：，kHz

，kHz

v—顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度，m/s

c—聲波在水中的傳播速度，m/s

在線ADCP測(cè)流的數(shù)學(xué)模型：Q實(shí)測(cè) =

式中：n—垂直于路徑的法線方向單位矢量；

u（H，L）—某一垂線位置某一深度單元的流速矢量。

此外，在線ADCP探頭自身要求有一定的入水深度，再加上必要的聲波傳播時(shí)間，故在線ADCP有最小水深限制，水深太淺則不能使用。

3 比測(cè)目的和測(cè)量方法

本分析的目的是研究在線ADCP測(cè)量的指標(biāo)流速和纜道測(cè)流的平均斷面流速的相關(guān)關(guān)系，獲得本站在線ADCP流量計(jì)算率定公式；分析兩種儀器數(shù)據(jù)，獲知在線ADCP測(cè)驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以判定本站能否采用在線ADCP替代傳統(tǒng)流速儀測(cè)流。

本次比測(cè)采用傳統(tǒng)流速儀與在線ADCP同步測(cè)量，然后篩選出對(duì)應(yīng)時(shí)段的在線ADCP數(shù)據(jù)并求出在線ADCP指標(biāo)流速，與纜道流速進(jìn)行比較分析，確定兩者的相關(guān)關(guān)系。

4 測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

4.1 資料的三性審查

本次分析采用2007年9月至2009年9月的資料成果，共有與傳統(tǒng)流速儀實(shí)測(cè)相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)流量資料67份。其中實(shí)測(cè)流量相應(yīng)最高水位為22.59m，最低水位為16.66m，占?xì)v史水位變幅的69%，具有較好的代表性。

4.2 收集方法及情況

經(jīng)篩查突變數(shù)據(jù)后，取61組數(shù)據(jù)參與分析。

4.3 水位比測(cè)分析

為了驗(yàn)證在線ADCP系統(tǒng)高程設(shè)置是否正確，用基本水尺每天8時(shí)水位與在線ADCP相應(yīng)時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。經(jīng)過分析得出，兩者差值基本在0～2cm內(nèi)，平均相對(duì)誤差為0。因此，系統(tǒng)高程設(shè)置正確，不存在系統(tǒng)偏差。

4.4 總體及各水位級(jí)數(shù)據(jù)的分析率定

4.4.1 總體數(shù)據(jù)的分析率定

在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖見表2，通過對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如下：回歸公式：y = 0.7954x + 0.0336

復(fù)相關(guān)系數(shù)：R2 = 0.9946

隨機(jī)不確定度：18%

系統(tǒng)誤差：0.85%

率定后，隨機(jī)不確定度不符合規(guī)范要求（二類精度水文站的系統(tǒng)誤差≤1%，隨機(jī)不確定度≤10%）。

表2 在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖

4.4.2 低水位的比測(cè)

在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖見表3，通過對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如下：回歸公式：y = 0.5651x + 0.0589

復(fù)相關(guān)系數(shù)：R2 = 0.8286

隨機(jī)不確定度：25%

系統(tǒng)誤差：0.15%

率定后，隨機(jī)不確定度不符合規(guī)范要求。

表3 低水位的在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖

4.4.3 中水位的比測(cè)

在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖見表4，通過對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如下：回歸公式：y = 0.7415x + 0.0654

復(fù)相關(guān)系數(shù)：R2 = 0.9662

隨機(jī)不確定度：19.8%

系統(tǒng)誤差：0.79%

率定后，系統(tǒng)誤差為0.79%≤± 1%，但標(biāo)準(zhǔn)差Se=9.9%，隨機(jī)誤差為19.8%> 10%，沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

表4 中水位的在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖

4.4.4 高水位的比測(cè)

在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖見表5，通過對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如下：回歸公式：y = 0.8897x – 0.1246

復(fù)相關(guān)系數(shù)：R2 = 0.9925

隨機(jī)不確定度：7.2%

系統(tǒng)誤差：0.15%

率定后，隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差均符合規(guī)范要求（二類精度水文站的系統(tǒng)誤差≤1，隨機(jī)不確定度≤10%）。然后對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行三線檢驗(yàn)，全部通過，認(rèn)為定線正確。

表5 高水位的在線ADCP流速～斷面平均流速關(guān)系曲線圖

4.5 率定成果

根據(jù)流量Q=V查·A，得出計(jì)算流量，跟流速儀斷面平均流量作對(duì)比，得出各水位級(jí)的率定合格率見表6。

表6 各水位級(jí)的合格率表

水位級(jí)總份數(shù)合格份數(shù)合格率合格標(biāo)準(zhǔn)

低水位302066.7%相對(duì)誤差≤±12%

中水位13646.2%相對(duì)誤差≤±8%

高水位1818100%相對(duì)誤差≤±6%

總體614472.1%

5 誤差原因分析

5.1 相關(guān)關(guān)系或模型造成的誤差分析

總的來說，造成在線ADCP測(cè)量產(chǎn)生誤差的原因有以下三個(gè)方面：第一，在線ADCP是同時(shí)測(cè)量整個(gè)斷面的流速，而流速儀是單點(diǎn)測(cè)量。第二，當(dāng)受到漂浮物影響，在線ADCP實(shí)測(cè)流速會(huì)出現(xiàn)偏小。第三，由于在線ADCP測(cè)驗(yàn)斷面并不是處于順直河道上，受到一定的變動(dòng)回水影響，當(dāng)流速較小時(shí)，變動(dòng)回水影響尤為顯著。

5.2 斷面沖淤變化引起的誤差分析

通過分析，本站的纜道測(cè)流斷面和在線ADCP測(cè)流斷面基本保持穩(wěn)定，故斷面沖淤變化對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的影響較小，所引起的誤差可不作考慮。但計(jì)算流量的所用的斷面面積為相應(yīng)水位下的纜道測(cè)流面積，因此每年汛前汛后應(yīng)至少對(duì)該斷面測(cè)量一次，以減少斷面沖淤變化引起的誤差。

從上述分析來看，在高水位時(shí)，在線ADCP指標(biāo)流速與流速儀實(shí)測(cè)流速具有顯著相關(guān)性。因此可以使用回歸公式把實(shí)時(shí)的在線ADCP指標(biāo)流速轉(zhuǎn)換成斷面平均流速，以在線ADCP自動(dòng)測(cè)驗(yàn)的方式代替多垂線測(cè)驗(yàn)。在中低水位下，由于精度不符合規(guī)范要求，暫不投入應(yīng)用。中水位由于數(shù)據(jù)量不足，建議繼續(xù)比測(cè)。低水位時(shí)考慮到受變動(dòng)回水影響顯著，繼續(xù)使用傳統(tǒng)流速儀測(cè)流。

6 結(jié) 語

在線ADCP在荊山站的應(yīng)用雖然不能完全取代纜道常規(guī)測(cè)流，但它在高水位下的成功應(yīng)用，較好地解決了洪水暴漲暴退和漂浮物多給流量測(cè)驗(yàn)工作帶來很大的難度和危險(xiǎn)的問題，大大提高了測(cè)驗(yàn)工作的安全性和快捷性，為河道的流速流量測(cè)驗(yàn)的在線監(jiān)測(cè)提供依據(jù)，為潭水河流域的水文預(yù)報(bào)和測(cè)驗(yàn)工作提供更為有效的技術(shù)手段，對(duì)加快實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化建設(shè)有著重要的意義。

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行宣傳教育，充分認(rèn)識(shí)水利工程建設(shè)對(duì)環(huán)境與生態(tài)可能產(chǎn)生的影響，牢固樹立環(huán)保理念，提高生態(tài)與環(huán)境保護(hù)的意識(shí)，養(yǎng)成自覺維護(hù)生態(tài)環(huán)境的良好習(xí)慣，在工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及管理的各個(gè)環(huán)節(jié)中都要注意保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，采取行政、科技、經(jīng)濟(jì)、法律等措施，建立施工環(huán)境保護(hù)管理體系，明確業(yè)主、監(jiān)理和施工單位的職責(zé)任務(wù)，制訂工程施工期環(huán)境保護(hù)計(jì)劃，落實(shí)環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)中確定的減免措施，不隨意捕獵砍伐水生動(dòng)物和野生植物，注意保護(hù)動(dòng)植物資源，盡量減輕施工對(duì)原有生態(tài)環(huán)境的破壞，使水利工程建設(shè)與資源環(huán)境的良性循環(huán)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào)，在造福人類的同時(shí)，保護(hù)好生態(tài)環(huán)境。

結(jié)束語

面對(duì)未來水利事業(yè)新的廣闊的發(fā)展前景，我們要不斷創(chuàng)新理念，探索新思路，努力使得水利工程發(fā)展與人類社會(huì)和諧發(fā)展相適應(yīng)，使水利工程的生態(tài)環(huán)境得到根本性的改觀。以科學(xué)的發(fā)展觀和現(xiàn)代管理手段，構(gòu)建“和諧社會(huì)”，實(shí)現(xiàn)中國夢(mèng)。

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的質(zhì)量管理制度，在質(zhì)量獎(jiǎng)懲制度上堅(jiān)持重獎(jiǎng)重罰、獎(jiǎng)罰分明，對(duì)偽造施工記錄資料的必須嚴(yán)懲，造成重大質(zhì)量事故者要繩之以法。

（3）實(shí)行工程建設(shè)監(jiān)理制，要把質(zhì)量監(jiān)理放在首位。鑒于目前工程施工質(zhì)量間題較多，監(jiān)理單位要加大對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量的監(jiān)理力度，對(duì)工程的關(guān)鍵項(xiàng)目及重點(diǎn)部位要實(shí)行“旁站監(jiān)理”，并加強(qiáng)抽檢，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格的必須返工，不留隱患。

（4）工程招標(biāo)選擇施工隊(duì)伍時(shí)，應(yīng)確定合理的標(biāo)價(jià)。當(dāng)前，水利水電工程施工招標(biāo)中，投標(biāo)施工隊(duì)伍競(jìng)爭(zhēng)激烈，因此投標(biāo)單位相互壓低報(bào)價(jià)，以爭(zhēng)取中標(biāo)。但中標(biāo)后，又轉(zhuǎn)包其他單位承包施工，致使工程單價(jià)偏低，有的承包單位為減少虧損，就不顧工程質(zhì)量偷工減料。應(yīng)認(rèn)真總結(jié)水利水電工程招標(biāo)選擇施工隊(duì)伍過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，克服片面追求低報(bào)價(jià)中標(biāo)的公平、公正全面綜合地優(yōu)選施工隊(duì)伍，并確定合理的標(biāo)價(jià)，避免因工程單價(jià)偏低而使施工單位虧損，杜絕施工隊(duì)伍以單價(jià)低為借口而忽視工程施工質(zhì)量。

3、結(jié)束語

綜上所述，為了不斷增強(qiáng)水利工程的建設(shè)質(zhì)量，豐富水利工程的功能，以及使其帶來更好的投資收益，我們應(yīng)該分析目前出現(xiàn)問題，在以后的水利工程工作中，提高技術(shù)和加強(qiáng)化管理。

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