水文監(jiān)測(cè)中ADCP流量測(cè)驗(yàn)與誤差控制探索

韋婷婷

（河南省三門峽水文水資源勘測(cè)局 三門峽 472000）

ADCP 流量測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌蝻@著提升監(jiān)測(cè)效果，確保監(jiān)測(cè)的時(shí)效性。但針對(duì)磁場(chǎng)、流沙以及河床等不確定條件，很難保證測(cè)驗(yàn)的精準(zhǔn)性。斷面測(cè)量的時(shí)候需要運(yùn)用牽引設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量環(huán)節(jié)中需要正確輸入設(shè)備測(cè)量斷面參數(shù)。與此同時(shí)，在開展ADCP 流量測(cè)量的時(shí)候，河流平均水深若是低于2m，單元高度為10cm 監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性更高。

1 ADCP 流量測(cè)驗(yàn)

ADCP 作為現(xiàn)階段比較先進(jìn)的流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，其中包含4 個(gè)換能器，換能器設(shè)備和軸線會(huì)直接地形成夾角，各個(gè)換能器設(shè)備有接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的功效。發(fā)射聲波能夠集中在特定范圍之內(nèi)，換能器設(shè)備把固定聲波頻率傳出。而后，接收聲波觸及到顆粒物之后，將反射回有關(guān)聲波信息。如果顆粒運(yùn)行速度值和水流相同，若換能器設(shè)備的附近有顆粒物，在靠近換能器設(shè)備所接收回聲頻率會(huì)高出發(fā)生頻率；若是顆粒物與換能器設(shè)備距離相對(duì)較遠(yuǎn)，換能器設(shè)備所接收到的回聲頻率會(huì)低于發(fā)生頻率。

ADCP 不同的換能器設(shè)備軸線，作為一個(gè)聲速的坐標(biāo)，不同的換能器設(shè)備測(cè)量的流速是水流順著聲速的流速分布。而后，運(yùn)用聲音坐標(biāo)以及局部坐標(biāo)所具有的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將聲音坐標(biāo)之下的流速轉(zhuǎn)換成為局部坐標(biāo)所具有的三維流速。最后，運(yùn)用傾斜儀設(shè)備和羅盤設(shè)備方向與信息轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系之下的流速。設(shè)定：水體中顆粒物運(yùn)動(dòng)速度與水流速度相等，ADCP 所獲得的速度是水流相對(duì)速度，若是在穩(wěn)定平臺(tái)中安裝上ADCP，它就能夠跟蹤顆粒物質(zhì)檢測(cè)出的速度也就是絕對(duì)水流速度。ADCP 若是在船舶內(nèi)水跟蹤監(jiān)測(cè)中的相對(duì)速度，需要將船舶運(yùn)動(dòng)后得到的水流速度忽略掉，然后求出絕對(duì)速度?？梢詫⑵浞殖?GPS 測(cè)量模式和低跟蹤測(cè)量模式，其中低跟蹤測(cè)量模式，也就是ADCP 接收和處理合理回波信號(hào)跟蹤合理顆粒物狀態(tài)。若是沒有移動(dòng)的推移質(zhì)，其所監(jiān)測(cè)的速度就是傳播速度，GPS 監(jiān)測(cè)能夠從行際中兩個(gè)坐標(biāo)中GPS 坐標(biāo)參數(shù)獲取，2 點(diǎn)位移除以時(shí)間長(zhǎng)得到。

ADCP 監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)流速儀相比之下，首先，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子儀設(shè)備模式是固定靜態(tài)測(cè)量，但是ADCP 監(jiān)測(cè)模式是動(dòng)態(tài)跟蹤與傳播運(yùn)行進(jìn)行跟蹤式測(cè)量。加之，傳統(tǒng)測(cè)量模式需要耗時(shí)較長(zhǎng)，沒有辦法把斷面劃分得比較細(xì)，垂線流速測(cè)量點(diǎn)相對(duì)較少。而ADCP 測(cè)量模式的采樣速率相對(duì)較大，可以將子斷面進(jìn)行精細(xì)的劃分，垂線流速測(cè)量點(diǎn)相對(duì)較多，等同于若干個(gè)流速儀設(shè)備對(duì)水流速度進(jìn)行同時(shí)的測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量需要使測(cè)量面與河岸垂直，但是ADCP 不需要和河岸進(jìn)行垂直，只需要對(duì)航跡進(jìn)行測(cè)量，就可以當(dāng)作是斜線。

2 ADCP 測(cè)量流量計(jì)算

不論哪一種測(cè)量模式都有無(wú)法測(cè)量區(qū)域和測(cè)量盲區(qū)，這就要求相關(guān)人員依照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，計(jì)算運(yùn)用ADCP 對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，依照流速面積模式對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算，也就是：流量=河流斷面某區(qū)域流速矢量×船舶航跡的單位法線矢量與河流斷面微元面積。

依照公式需要先將垂線平均速度計(jì)算出來，ADCP 轉(zhuǎn)能器設(shè)備要進(jìn)入到水體盲區(qū)或是標(biāo)準(zhǔn)深度類系統(tǒng)，沒有辦法直接測(cè)量表層速度的區(qū)域。加之，會(huì)受到聲音的影響，由于河底有聲音干擾相對(duì)較大，流速信息將沒有辦法進(jìn)行利用，導(dǎo)致該區(qū)域成為盲區(qū)。對(duì)此，重線平均速度需要依照底層、表層、中層進(jìn)行逐一地計(jì)算，中層內(nèi)的平均流速需要依照系統(tǒng)進(jìn)行直接檢驗(yàn)，其中參數(shù)作為首個(gè)與河體單元垂向的單元。運(yùn)用垂線流速分布，對(duì)表層流速進(jìn)行計(jì)算。然后對(duì)局邊流量進(jìn)行計(jì)算，由于船舶沒有辦法靠近河邊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，ADCP 沒有辦法對(duì)岸邊的流量和流速進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)此需要運(yùn)用比例內(nèi)插法模式對(duì)岸邊流量進(jìn)行計(jì)算。

3 偏差控制

3.1 偏差形成

ADCP 流量監(jiān)測(cè)偏差可以降低分成盲區(qū)流速分布率定偏差、測(cè)速偏差、測(cè)深偏差、近岸測(cè)距以及岸邊參數(shù)偏差等。ADCP 偏差與單元厚度頻率以及測(cè)速有直接關(guān)聯(lián)。一般會(huì)受到各種因素的影響，制約幅度以及參數(shù)設(shè)置都有至關(guān)重要的作用。例如，從10 增到170 的時(shí)候，偏差都會(huì)從8.20cm/s 降到2cm/s。對(duì)參數(shù)進(jìn)行完善的時(shí)候，需要與檢測(cè)的需求有機(jī)結(jié)合在一起開展現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐。與此同時(shí)，如果流速超出其所鎖定的范圍，也會(huì)出現(xiàn)偏差造成流速數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控失效。盲區(qū)流速主要是指針對(duì)于盲區(qū)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用直線模式與流速資料有機(jī)結(jié)合在一起，對(duì)垂線流速分布、對(duì)數(shù)分布以及指數(shù)分布進(jìn)行研究。在1～2m 的盲區(qū)和15%深度之下盲區(qū)，運(yùn)用該種模式將會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。測(cè)深偏差主要是指ADCP監(jiān)測(cè)深度以及系統(tǒng)頻率具有密切關(guān)聯(lián),頻率較高則表示出水深較小，若是超出系統(tǒng)頻率參數(shù)就會(huì)出現(xiàn)偏差，若是河床底部有走沙狀況，運(yùn)用ADCP 監(jiān)測(cè)信息，就會(huì)出現(xiàn)干擾錯(cuò)誤，誤把水深當(dāng)成是0 進(jìn)行處理，所以得的流量也是0。

3.2 偏差分析

船舶運(yùn)行速度直接關(guān)系到流量監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性，行駛速度較慢，流量監(jiān)測(cè)的偏差就會(huì)較小，針對(duì)于水深較深、河面較寬、系統(tǒng)頻率較高以及河流速度較快的情況，流量檢測(cè)偏差會(huì)相對(duì)較低。但是，不同ADCP 設(shè)備的監(jiān)測(cè)影響也有差異。系統(tǒng)偏差與垂向單元長(zhǎng)度具有密切關(guān)聯(lián)，垂向單元長(zhǎng)度若是較小，流量監(jiān)測(cè)偏差就會(huì)較大。

4 ADCP 流量測(cè)驗(yàn)與誤差控制

4.1 室外測(cè)驗(yàn)

4.1.1 定線比測(cè)

將ADCP 與流速儀設(shè)備安裝在同側(cè)，固定垂線ADCP 流量測(cè)驗(yàn)和誤差控制根據(jù)流速儀監(jiān)測(cè)的坐標(biāo)與測(cè)速采樣，收集ADCP 與流速儀設(shè)備在不同流速狀況下40 個(gè)樣本信息，對(duì)測(cè)點(diǎn)流速和垂線流速分布進(jìn)行細(xì)致分析。

4.1.2 走航比監(jiān)測(cè)

流速儀設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，ADCP 在初級(jí)階段到終結(jié)階段會(huì)反復(fù)三次穿過斷面進(jìn)行流量測(cè)定，運(yùn)用流速儀模式和平均參數(shù)模式，對(duì)流量進(jìn)行比較。ADCP 流量檢測(cè)偏差相對(duì)于傳統(tǒng)偏差一般為5%以下。若是河床浮泥較厚，有移位狀況，傳播速度監(jiān)測(cè)就會(huì)產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致流量被降低，需要及時(shí)地進(jìn)行修正和計(jì)算。

4.1.3 監(jiān)測(cè)

為降低環(huán)境因素對(duì)水文監(jiān)測(cè)造成的影響，需對(duì)不同測(cè)流斷面進(jìn)行5 次以上的監(jiān)測(cè)，選擇其中5 次平均值作為斷面流量的參數(shù)。若5 次中有一次測(cè)量值與平均值偏差在5%以上，則需分析有無(wú)特異參數(shù)，如有需再次測(cè)量。如無(wú)法判斷，則需再測(cè)5 次，取10 次平均值作為流量參數(shù)。。

4.2 偏差控制方法

ADCP 檢測(cè)模式非常適用于水深、河面寬以及流速大的環(huán)境，需要適宜地做好選型工作。傳播速度是關(guān)鍵性影響因素之一，需要結(jié)合河流流速狀況以及實(shí)際狀況，對(duì)船舶速度進(jìn)行控制。將垂線平均流速和流量有機(jī)地結(jié)合在一起，垂線平均流速檢測(cè)偏差和水深有較為密切的關(guān)系，對(duì)此，水深檢測(cè)必須要有較強(qiáng)的精準(zhǔn)性，在開展檢測(cè)的環(huán)節(jié)中需要做好預(yù)測(cè)，若是有河床移動(dòng)，就需要運(yùn)用精準(zhǔn)性較強(qiáng)的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，岸邊水面寬可以用目測(cè)估量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，在測(cè)驗(yàn)斷面流量使用ADCP 的過程中，實(shí)際測(cè)量的部位屬于斷面中部，因此這個(gè)位置也被叫做ADCP 的實(shí)測(cè)區(qū)。ADCP 原理比較近似于水文流量模式，具有測(cè)量快捷和測(cè)量方便的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精準(zhǔn)度較高，具有一定的推廣價(jià)值■