微型ADCP在流量測(cè)驗(yàn)與資料整編中的應(yīng)用

楊冶

（遼寧省鞍山水文局，遼寧鞍山114036）

1 測(cè)站概況

立山（四）水文站處于遼河流域、太子河水系。流量測(cè)驗(yàn)斷面設(shè)立于鞍山市鐵西區(qū)城昂堡村，河道測(cè)驗(yàn)順直長(zhǎng)度約500 m，呈單式河槽，基本斷面以上共有上石橋水庫(kù)、判甲爐污水處理廠、東臺(tái)攔河閘等18 處水利工程,以及4 處自動(dòng)翻板閘。由于受上游水利工程及洪水期自動(dòng)翻板閘門頻繁開關(guān)影響，基本斷面水位變動(dòng)較大。特別是洪水期間，水位暴漲暴落，普通轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)驗(yàn)繁瑣耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)流量結(jié)果誤差大，隨之影響相關(guān)水文資料整編工作。

1960年發(fā)生歷史最大洪水，最大流量1 090 m3/s，最大流速4.55 m/s，最高水位27.89 m。2012 年下遷斷面8 km 到鐵西區(qū)城昂堡村，同年發(fā)生較大洪水，最大流量472 m3/s，最大流速1.91 m/s，最高水位19.09 m。

2 微型 ADCP 介紹

隨著城市的發(fā)展與規(guī)劃，普通傳統(tǒng)流速儀測(cè)驗(yàn)已經(jīng)難以滿足使用要求，而近些年來新型測(cè)驗(yàn)設(shè)備ADCP憑借自身優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)應(yīng)用于日常測(cè)驗(yàn)當(dāng)中。

2.1 工作原理

聲學(xué)多普勒流速儀，利用聲波在水中的傳播來測(cè)量水中各點(diǎn)或某一剖面的水流速度。根據(jù)多普勒頻移，當(dāng)頻率為F1的振源與觀察者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到來自振源的輻射波頻率將是F′。鑒于觀察者與振源兩者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的接收信號(hào)相對(duì)于振源頻率的頻移現(xiàn)象則稱之為多普勒效應(yīng)，通過此頻移進(jìn)而測(cè)出物體的運(yùn)動(dòng)速度。在作業(yè)時(shí)，由測(cè)量?jī)x器發(fā)出輻射波，再接收由測(cè)物體產(chǎn)生的反射波，測(cè)出頻移，算出速度。

微型ADCP 屬于聲學(xué)多普勒流量計(jì)其中一種。在其測(cè)得流速分布的同時(shí)，期間ADCP測(cè)深儀測(cè)得走航斷面的各位置水深數(shù)據(jù)，河底跟蹤同步測(cè)得各垂線的地理坐標(biāo)。通過藍(lán)牙連接在ADCP 電腦上，直接顯示走航斷面實(shí)時(shí)流速分布和流量匯總結(jié)果。水面流量、河底流量及岸邊測(cè)不到流速的盲區(qū)區(qū)域，采用按流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范比測(cè)驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算盲區(qū)區(qū)域的流量值，最終計(jì)算出流量結(jié)果。

2.2 優(yōu)勢(shì)

1）測(cè)驗(yàn)時(shí)間縮短：微型ADCP 采用動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)船移動(dòng)中不間斷發(fā)射脈沖測(cè)量；普通傳統(tǒng)流速儀1 條垂線多點(diǎn)施測(cè)，常規(guī)1 點(diǎn)測(cè)100 s 以上，需測(cè)量多測(cè)點(diǎn)、多條垂線，計(jì)算流量。

2）測(cè)驗(yàn)機(jī)動(dòng)靈活：傳統(tǒng)流速儀斷面要垂直于水流方向，應(yīng)根據(jù)不同水深、流速選擇不同類型的流速儀；微型ADCP 的測(cè)驗(yàn)軌跡是隨機(jī)的曲線，流速測(cè)量范圍±7.2 m/s。

3）計(jì)算方便快捷：微型ADCP 斷面流速、面積同步測(cè)量，主動(dòng)消除回流等因素影響，通過計(jì)算機(jī)軟件直接計(jì)算流量；而傳統(tǒng)流速儀需要將流速與斷面面積分別計(jì)算，再累加各部分流量后，最終求得測(cè)驗(yàn)結(jié)果。

2.3 局限性

1）ADCP 利用聲波作為傳導(dǎo)，當(dāng)測(cè)驗(yàn)過程中水體高含沙或河底走沙時(shí)，水體吸收聲波能力增強(qiáng)，致使接收回波強(qiáng)度明顯減弱，導(dǎo)致底跟蹤、水深測(cè)量失效，最終無法完成一次流量測(cè)驗(yàn)。

2）受測(cè)驗(yàn)環(huán)境影響，非實(shí)測(cè)區(qū)（表層、底層、左右岸邊區(qū)）面積與實(shí)測(cè)區(qū)面積的比值過大造成測(cè)驗(yàn)誤差加大。

3）人為操作測(cè)船速度超過水流速度過大造成測(cè)驗(yàn)誤差。

3 微型ADCP 與傳統(tǒng)流速儀比測(cè)

3.1 比測(cè)斷面、測(cè)次選擇

為控制比測(cè)斷面變化而影響比測(cè)精度，選擇在立山水文站基本斷面以上5 m（流速儀測(cè)流斷面）作為此次比測(cè)斷面。河道順直長(zhǎng)500 m，測(cè)驗(yàn)斷面為單式河槽，左右岸兩側(cè)均為水深均勻地變淺至零的斜坡岸邊，河床主要由沙石、沙壤土組成，斷面沖淤變化較小，較穩(wěn)定，無橫比降。

考慮到微型ADCP 工作原理，避免水流紊流、水面波浪、剪切流、河底推移質(zhì)、極慢流速等不利因素所產(chǎn)生的誤差，選擇在河流穩(wěn)定，含沙量較小或無沙時(shí)進(jìn)行比測(cè)。

3.2 比測(cè)方案

采用的微型ADCP是TRDI公司新一代產(chǎn)品，最小單元長(zhǎng)2 cm，最大剖面深4 m，流速量程±7.2 m/s，精度±1.0% ± 0.2 cm/s，分辨率 1 mm/s。測(cè)驗(yàn)時(shí)，完全遵照《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》走航式流量測(cè)驗(yàn)要求：首先固定微型ADCP，然后釋放拖繩，保持儀器到達(dá)比測(cè)斷面后，鎖定托繩，保持儀器在流速儀測(cè)流斷面，人工拖動(dòng)ADCP，從開始河岸測(cè)至結(jié)束河岸，測(cè)驗(yàn)兩個(gè)測(cè)回，水邊距離采用光學(xué)測(cè)距儀測(cè)量，滿足取得2 次測(cè)回流量的平均值，作為微型ADCP 測(cè)量結(jié)果。測(cè)驗(yàn)過程中，控制單次測(cè)回流量誤差在小于5%以內(nèi)，當(dāng)結(jié)束測(cè)量，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)超差，增加測(cè)回，保證最終ADCP 測(cè)量結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

流速儀測(cè)驗(yàn)則按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》，選擇按規(guī)定檢定、校核并符合當(dāng)時(shí)測(cè)驗(yàn)條件的流速儀。嚴(yán)格按照規(guī)范要求測(cè)寬、測(cè)深，測(cè)速采用兩點(diǎn)法（0.2，0.8），單點(diǎn)測(cè)驗(yàn)歷時(shí)超過100 s，并根據(jù)水位變化及時(shí)調(diào)整垂線條數(shù)，減小測(cè)驗(yàn)誤差。

4 比測(cè)結(jié)果與分析

4.1 單次測(cè)驗(yàn)精度分析

鑒于微型ADCP 使用局限性，以及測(cè)驗(yàn)環(huán)境影響，共取得比測(cè)結(jié)果30 次，見表1。結(jié)果顯示：ADCP 實(shí)測(cè)流量結(jié)果誤差小于規(guī)范要求5%，結(jié)果均可以采用。

表1 ADCP與流速儀精測(cè)方法比測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.2 整編精度分析

將參與計(jì)算水位流量關(guān)系曲線的流速儀實(shí)測(cè)流量值，采用同次ADCP 測(cè)驗(yàn)結(jié)果替換，重新與高水高沙流速儀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水位流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)，按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》《水文資料整編規(guī)范》要求進(jìn)行精度分析、3 種檢驗(yàn)，分析結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤差及3 種檢驗(yàn)均通過。

表2 ADCP 比測(cè)水位~流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

4.3 洪水總量分析

將使用ADCP 測(cè)驗(yàn)結(jié)果確定的水位流量關(guān)系曲線，與同時(shí)期流速儀實(shí)測(cè)流量確定的水位流量關(guān)系曲線，對(duì) 2020 年 5 月 18 日、6 月 16 日洪水總量進(jìn)行分析，誤差均小于規(guī)范要求一次水量允許誤差6%，整編成果完全符合并滿足推流要求，結(jié)果見表3。

表3 ADCP 比測(cè)洪水總量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

微型ADCP 流速儀作為一種先進(jìn)的河道斷面流量測(cè)量?jī)x器，相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀，具有機(jī)動(dòng)靈活，操作方便，工作穩(wěn)定，維護(hù)次數(shù)少，測(cè)驗(yàn)速度快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過比測(cè)分析，微型ADCP在條件允許的情況下，可以作為替代傳統(tǒng)流速儀測(cè)驗(yàn)的新方式，在保證測(cè)驗(yàn)、整編成果精度的同時(shí)，還可以有效地提高測(cè)驗(yàn)效率、降低測(cè)站工作強(qiáng)度。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，高精度ADCP 將會(huì)在解決洪澇災(zāi)害、水資源可持續(xù)利用開發(fā)等一系列問題中得到廣泛應(yīng)用。