走航式ADCP在遼東地區(qū)河道應(yīng)急測(cè)流中的應(yīng)用分析

王明亮

（遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心（遼寧省水文局），遼寧 沈陽(yáng)110003）

1 引言

近些年來(lái)，走航式ADCP已逐步成為國(guó)內(nèi)流量測(cè)驗(yàn)的儀器之一，尤其是在洪水應(yīng)急測(cè)驗(yàn)中得到應(yīng)用[1]。當(dāng)前，隨著水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化技術(shù)的逐步開(kāi)展，大江大河國(guó)家基本水文站已逐步向流量新技術(shù)方向發(fā)展，特別是中小河流基本水文站，走航式ADCP可作為中小河流巡測(cè)方式重要設(shè)備進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)[2]。但是該流量監(jiān)測(cè)設(shè)備在區(qū)域流量監(jiān)測(cè)的適用性還需要逐步進(jìn)行檢驗(yàn)，國(guó)內(nèi)許多水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)人員，結(jié)合工作實(shí)際，采用與傳統(tǒng)流速儀對(duì)比觀測(cè)的方式進(jìn)行走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)的適用性[3-6]，對(duì)比研究成果表明，走航式ADCP基本可滿足區(qū)域水文測(cè)驗(yàn)的要求，尤其是在一些區(qū)域的高洪已經(jīng)測(cè)驗(yàn)中得到應(yīng)用[7-10]，但也有研究表明在高洪水時(shí)，受到河流漂浮物及流速影響，走航式ADCP適用性不高[11-13]，同時(shí)適用性分析的研究還相對(duì)較少，尤其在遼東地區(qū)還未進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，遼東地區(qū)山區(qū)型河流較多，河道流速一般較大。本文結(jié)合傳統(tǒng)流速儀對(duì)比觀測(cè)的方式，在水文測(cè)驗(yàn)相關(guān)規(guī)范要求內(nèi)，對(duì)走航式ADCP在遼東地區(qū)的適用性進(jìn)行分析，研究成果對(duì)指導(dǎo)遼寧東部地區(qū)水文測(cè)驗(yàn)方式具有重要的參考價(jià)值。

2 走航式ADCP測(cè)流原理

ADCP超聲波測(cè)流系統(tǒng)是根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，向水中發(fā)射四個(gè)固定頻率的聲波短脈沖，這些短脈沖碰到水中的散射體（如：浮游生物、泥沙等）將發(fā)生散射，ADCP從每個(gè)波束接收到的回波信號(hào)可得到水流的東向、北向和垂向速度分量，測(cè)流示意圖見(jiàn)圖1。將水流從上到下的整個(gè)水柱劃分成若干個(gè)深度單元，各深度單元的流速數(shù)據(jù)組成流速斷面。在同一個(gè)數(shù)據(jù)組中，ADCP分別記錄下底跟蹤速度和斷面水流速度信息，用測(cè)流軟件可以分析得到水流速度及流速在整個(gè)斷面的分布情況，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)斷面的流量?？梢詫?shí)時(shí)顯示ADCP的運(yùn)行軌跡、水下斷面圖等信息。

圖1 ADCP測(cè)流示意圖

3 流量測(cè)驗(yàn)的精度評(píng)定方法及誤差標(biāo)準(zhǔn)

3.1 流量測(cè)驗(yàn)的精度評(píng)定方法

按照河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015相關(guān)要求，流量分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)按照以下公式進(jìn)行估算，估算方程為：

在方程中SY表示為流量分量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（%）；表示為n個(gè)流量分量的算術(shù)平均值（m3/s）；Yi表示第i個(gè)流量分量的測(cè)量值（m3/s）。此外，流量測(cè)驗(yàn)的精度可以按照總的不確定度來(lái)進(jìn)行分析，各類(lèi)水文站按照高、中、低水位各計(jì)算一次總的不確定度，流量各獨(dú)立分量的隨機(jī)不確定度，取置信水平為95%，并按照以下方法進(jìn)行估算：

（1）當(dāng)流量測(cè)量樣本的序列容量大于或者等于30時(shí)，隨機(jī)不確定度應(yīng)為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的2倍。

（2）當(dāng)流量測(cè)量樣本的序列容量小于30時(shí)，應(yīng)按照表1中的學(xué)生氏（t）值乘以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差得到隨機(jī)不確定度。

表1 置信水平為90%的學(xué)生氏（t）值

走航式ADCP的儀器不確定度則結(jié)合生產(chǎn)廠家給定的儀器精度指標(biāo)進(jìn)行確定，當(dāng)流量可以劃分成若干函數(shù)后，假定各個(gè)流量分量屬于相互獨(dú)立后，總的隨機(jī)不確定度的計(jì)算方程為：

在方程中表示為流量的總隨機(jī)不確定度（%）；K表示為流量分量的個(gè)數(shù)；Yi表示為第i個(gè)流量分量的隨機(jī)不確定度（%）。

3.2 誤差評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)的誤差分析時(shí)，按照河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015相關(guān)要求，在高、中、低水位時(shí)應(yīng)均勻的分布各測(cè)次，對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)不少于20個(gè)測(cè)次。由于每次歷時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，在大洪水試驗(yàn)困難較大時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)選在流量相對(duì)平穩(wěn)期進(jìn)行。流量誤差試驗(yàn)資料的整理和計(jì)算應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）單次流量的近似真值，為采用多條測(cè)速垂線按平均分割法計(jì)算的斷面流量。

（2）對(duì)多線斷面流量做抽線精簡(jiǎn)時(shí)，應(yīng)保留控制斷面形狀和橫向流速分布轉(zhuǎn)折處的測(cè)速垂線，再按均勻抽取垂線的原則，計(jì)算得出少線斷面流量。

（3）測(cè)速垂線數(shù)目不足導(dǎo)致的誤差不應(yīng)超過(guò)表2中的規(guī)范要求。

表2 流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的允許誤差

4 水文站對(duì)比觀測(cè)實(shí)例分析

4.1 流量測(cè)驗(yàn)誤差分析

選定遼東地區(qū)不同站類(lèi)水文站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)分析，并按照高、中、低水三種類(lèi)型分析其流量測(cè)驗(yàn)的誤差，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 走航式ADCP在遼東地區(qū)不同站類(lèi)水文站流量測(cè)驗(yàn)誤差分析結(jié)果

從誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，結(jié)合河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015不同站類(lèi)水文站允許誤差相關(guān)要求，在不同斷面垂線數(shù)目下，高水位流量測(cè)定置信度為95%的隨機(jī)不確定度都高于其規(guī)范要求的允許誤差，且各垂線數(shù)目下系統(tǒng)誤差均高于同組垂線數(shù)目下的系統(tǒng)誤差，表明在高水條件下走航式ADCP不能有效滿足流量測(cè)驗(yàn)的允許誤差要求，在各站類(lèi)水文站高水流量測(cè)驗(yàn)存在一定的不適用性，但相比于允許誤差，其相對(duì)誤差較小。走航式ADCP在遼東地區(qū)各站類(lèi)水文站高水位流量測(cè)驗(yàn)不太適用的一個(gè)主要原因在于高水位時(shí)，由于遼東地區(qū)大都為山區(qū)型河流，其流速一般較大，而在高水位尤其是流速較大的洪水時(shí)期，走航式ADCP受到高水流速?zèng)_擊影響，使得其流量測(cè)定的精度有所降低，而在中低水暢流期，由于水流相對(duì)較為平穩(wěn)，使得走航式ADCP的測(cè)流較為穩(wěn)定。在中低水時(shí)期，通過(guò)對(duì)比觀測(cè)分析，各組斷面垂線數(shù)目下，其流量測(cè)定誤差均在河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范中的允許誤差范圍內(nèi)，可見(jiàn)，在遼東地區(qū)，在暢流期中低水時(shí)，走航式ADCP具有一定的適用性，可用來(lái)進(jìn)行水文測(cè)站的巡測(cè)。

4.2 走航式ADCP主要誤差來(lái)源

在對(duì)走航式ADCP進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)水文測(cè)驗(yàn)方式影響下其誤差來(lái)源進(jìn)行分析，主要為以下幾點(diǎn)：

（1）頂部測(cè)流盲區(qū)產(chǎn)生的誤差：走航式ADCP測(cè)流時(shí)其頂部盲區(qū)一般有3個(gè)部分組成：首先是頂部探頭進(jìn)入一定水深后，不能對(duì)其上部水流的流量進(jìn)行測(cè)定，存在盲區(qū)；其次是換能電磁陶片由于存在震壓，需要其余震進(jìn)行有效衰減以后才能完成正常的測(cè)流；再次是由于連續(xù)的聲波脈沖之間存在一定的距離，使得信號(hào)傳輸存在一定的阻力。

（2）底部測(cè)流盲區(qū)產(chǎn)生的誤差：由于走航式ADCP底部的旁瓣最先達(dá)到水體的底部，使得其主瓣不能對(duì)其水下測(cè)量區(qū)域進(jìn)行完全識(shí)別。其底部的盲區(qū)一般和走航式ADCP波束開(kāi)角以及設(shè)定的水深有較大的相關(guān)性，其開(kāi)角越大其底部盲區(qū)的區(qū)域面積越大，因此采用走航式ADCP進(jìn)行流量數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要在其軟件終端設(shè)置旁瓣減少一個(gè)計(jì)算單元。

（3）岸邊測(cè)流盲區(qū)產(chǎn)生的誤差：走航式ADCP不能實(shí)現(xiàn)河流兩個(gè)近岸邊的流量測(cè)定，存在盲區(qū)，在實(shí)際測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，兩個(gè)岸邊的水深一般較淺且干擾因素相應(yīng)增多，使得走航式ADCP形成測(cè)流空白區(qū)域，此外走航式ADCP的計(jì)算軟件需測(cè)定到2個(gè)以上的有效單元才能進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，使得其水邊很難測(cè)定到流量，尤其是在高水時(shí)期。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)流量測(cè)驗(yàn)精度分析，走航式ADCP不能有效滿足流量測(cè)驗(yàn)的允許誤差要求，在各類(lèi)水文站高水流量測(cè)驗(yàn)存在一定的不適用性，但相比于允許誤差，其相對(duì)誤差較小，而其流量測(cè)定誤差均在河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范中的允許誤差范圍內(nèi)，在暢流期中低水時(shí)，走航式ADCP可用來(lái)進(jìn)行遼東地區(qū)部分水文站點(diǎn)的巡測(cè)。

（2）走航式ADCP存在三種測(cè)流盲區(qū)，分別為頂部、底部以及岸邊測(cè)流盲區(qū)，這些測(cè)流盲區(qū)是其流量測(cè)驗(yàn)儀器不確定的主要誤差來(lái)源。在進(jìn)行具體流量測(cè)驗(yàn)操作時(shí)，應(yīng)盡量進(jìn)行多個(gè)測(cè)次的流量測(cè)驗(yàn)，取每個(gè)測(cè)次的平均值作為其流量測(cè)定值，從而減小走航式ADCP的隨機(jī)不確定度。