走航式ADCP在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

毛震宇

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，在很大程度上推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，極大地促進(jìn)了走航式ADCP的發(fā)展，其自身有著較高的精確度，而且在水文流量測(cè)驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用，能夠促使測(cè)量成果的真實(shí)性及其有效性得以切實(shí)提升。本文首先簡(jiǎn)要概述了走航式ADCP與傳統(tǒng)流速儀的不同之處，并基于此以實(shí)際工作情況在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用及其質(zhì)量控制措施進(jìn)行了研究與探討，僅供參考。

關(guān)鍵詞：走航式ADCP水文流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)用

Application Analysis of Navigation ADCP in Hydrological Flow Test

MAO ZhenYu

Hunan Changde Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Changde ，Hunan Province 415130 China

Abstract： With the continuous development of China's economy and society， it promotes the rapid progress of science and technology to a large extent， and greatly promotes the development of navigation ADCP. It has a high accuracy， and applies in the hydrological flow test， which can promote the authenticity and effectiveness of the measurement results.This paper briefly summarizes the differences between the navigation ADCP and the application and quality control measures for reference only.

Key Words： Navigation type ADCP; Hydrology; Flow test; Application

在水文流量測(cè)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用期間數(shù)據(jù)誤差比較大，操作上不夠簡(jiǎn)單便利，因此難以切實(shí)提高整個(gè)水文流量測(cè)驗(yàn)工作的質(zhì)量及其效率，所以，逐漸無(wú)法與時(shí)代的發(fā)展相適應(yīng)。而走航式ADCP因其自身科學(xué)技術(shù)水平比較高，而且有著較高的數(shù)據(jù)采集效率、操作簡(jiǎn)單便利、效率高等特點(diǎn)。

1 走航式ADCP與傳統(tǒng)流速儀的不同之處

與傳統(tǒng)的流速儀相比較，ADCP方法有以下不同點(diǎn)。（1）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法是靜態(tài)法，流速儀是固定在測(cè)點(diǎn)的;而ADCP是動(dòng)態(tài)化的，能夠隨著測(cè)船運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中開(kāi)展測(cè)驗(yàn)。（2）在對(duì)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法進(jìn)行應(yīng)用采樣時(shí)，一般不會(huì)將子斷面劃分得很細(xì)，垂線流速的測(cè)量點(diǎn)也不可能有很多;而ADCP因其有著非常高的采樣速率，能夠?qū)⒆訑嗝鎰澐值煤芗?xì)，垂線流速的測(cè)量點(diǎn)也可以有很多，相當(dāng)于許多臺(tái)流速儀同時(shí)開(kāi)展測(cè)量。（3）在對(duì)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子流速儀進(jìn)行應(yīng)用期間，往往要求測(cè)流斷面與河岸垂直，而ADCP方法對(duì)此沒(méi)有作出特別要求，測(cè)船的航跡來(lái)可以為曲線，也可以為斜線。（4）傳統(tǒng)流速儀法需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手工記錄與計(jì)算，之后再對(duì)測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行繪制，ADCP測(cè)驗(yàn)成果能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)，在很大程度上促使水文測(cè)驗(yàn)工作的現(xiàn)代化水平得以有效提高。

2 比測(cè)分析

2.1案例實(shí)際情況

本文以某水文站為例對(duì)傳統(tǒng)流速儀和ADCP的比測(cè)分析進(jìn)行開(kāi)展。本文資料收集的時(shí)間段為2019年5～7月，2020年6～9月。在此期間，該水文站受上游來(lái)水及水庫(kù)開(kāi)閘泄洪的影響，有幾次主要的洪水過(guò)程。其中，比測(cè)期間最高水位61.35m，出現(xiàn)在2020年9月17日，最低水位50.33m，出現(xiàn)在2020年7月31日。該站流量測(cè)驗(yàn)采用纜道流速儀法和ADCP走航式，而且考慮到高水位級(jí)時(shí)該站水流含沙量較大、漂浮物多、波浪較高等因素，采用纜道流速儀法流量和走航式ADCP成果作為標(biāo)準(zhǔn)值。在比測(cè)過(guò)程中，兩種測(cè)量?jī)x器很難做到同步比測(cè)，即同次流量同步開(kāi)始和同步結(jié)束，或同一條垂線開(kāi)始和結(jié)束。為保證資料收集的準(zhǔn)確性，應(yīng)保證如下幾點(diǎn)：第一，纜道流速儀和ADCP兩套流量測(cè)驗(yàn)儀器盡可能地在相同或相近時(shí)間進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn);第二，兩套測(cè)流設(shè)備測(cè)速垂線基本布設(shè)一致，斷面均采用流速儀測(cè)流斷面，盡可能地消除其他因素在資料收集階段引起的干擾，保證流量的可靠性。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)合理性分析，樣本數(shù)據(jù)共收集58次纜道流速儀法和ADCP與纜道雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的比測(cè)資料。

2.2水位流量關(guān)系曲線繪制與檢驗(yàn)

根據(jù)實(shí)測(cè)的58次流量資料，對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行了率定，并進(jìn)行了三線檢驗(yàn)，如圖1所示。

檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表1。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）中水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)表。該站流量屬一類精度水文站，則定線誤差應(yīng)滿足：系統(tǒng)誤差≤±1%，隨機(jī)不確定度≤8。定線滿足精度要求。

2.3結(jié)果總結(jié)

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)合理性分析，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初篩，參與本次比率測(cè)定分析的共有58組數(shù)據(jù)，纜道流速儀法和ADCP實(shí)測(cè)流量變幅為5020～19200m3/s，斷面平均流速變幅1.32～3.20m/s，水位變幅54.33～61.28m。按該站水位分級(jí)：56.30m以上為高水;51.39～56.30m為中水，比測(cè)資料覆蓋中、高水位級(jí)。

走航式ADCP是一種先進(jìn)的、技術(shù)含量高的測(cè)流儀器，具有日常運(yùn)行成本低，維護(hù)少，快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備在比測(cè)分析期間運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)正常，并對(duì)外界抗干擾能力較強(qiáng)。同時(shí)，能夠有效地解決該站纜道流速儀法施測(cè)過(guò)程中的安全隱患。

綜上所述，該站主要的設(shè)站目的是為下游某市防汛提供高洪流量水情信息，該站是水電站的出庫(kù)站。通過(guò)比測(cè)分析走航式ADCP測(cè)流系統(tǒng)滿足各項(xiàng)水文規(guī)范要求，該系統(tǒng)可以在中、高水位級(jí)投產(chǎn)使用，并作為常規(guī)的流量測(cè)驗(yàn)方案。

3 測(cè)驗(yàn)主要誤差控制分析

走航式ADCP的應(yīng)用，能夠在很大程度上為水利工程的科學(xué)調(diào)度、防汛抗旱及水生態(tài)環(huán)境的治理等各項(xiàng)工作提供有效的水文方面的信息[1]。在實(shí)際應(yīng)用期間依然存在著一定的誤差，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行有效控制，具體如下。

3.1系統(tǒng)誤差的質(zhì)量控制工作

（1）水流中的含沙量會(huì)極大地影響到ADCP的使用效果。在含沙量比較高的河流之中，頻率比較高的ADCP設(shè)備是不適用的，因?yàn)樗骱沉吭礁?，水深測(cè)量與河底跟蹤失效的幾率就會(huì)越大[2]。而在對(duì)低頻率的ADCP設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用來(lái)測(cè)量含沙量比較高的河流時(shí)，河流不能過(guò)淺，否則也是不適用的，不能對(duì)窄帶的ADCP進(jìn)行應(yīng)用。與寬帶ADCP相比較，窄帶ADCP在深淺狀態(tài)下都是比較適用的。假如河流的含沙量比較高而且河流過(guò)淺無(wú)法對(duì)ADCP進(jìn)行應(yīng)用，船速可用差分GPS進(jìn)行測(cè)量，并可對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行利用來(lái)測(cè)量水深[3]。

（2）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)河底跟蹤測(cè)量的精確度產(chǎn)生直接性的影響。假如水流的速度十分快，河底的泥沙就會(huì)隨之形成推移質(zhì)。對(duì)GPS進(jìn)行利用來(lái)對(duì)船速進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，應(yīng)最大限度地減少對(duì)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響[4]。

（3）其他影響因素。對(duì)于岸邊形狀、岸邊流量系數(shù)可以經(jīng)過(guò)實(shí)地?cái)嗝鏈y(cè)量和岸面流速分布試驗(yàn)，與相關(guān)規(guī)定相結(jié)合來(lái)對(duì)可靠的參數(shù)進(jìn)行獲取;對(duì)比測(cè)深測(cè)寬設(shè)備應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn);對(duì)盲區(qū)的流速應(yīng)經(jīng)過(guò)分析對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)地插補(bǔ);等等。

3.2隨機(jī)誤差的質(zhì)量控制工作

（1）對(duì)科學(xué)合理的工作模式進(jìn)行有效選擇。ADCP有很多種工作模式，不同型號(hào)發(fā)射與處理形式也會(huì)對(duì)其精度產(chǎn)生不同的影響。例如，寬帶模式的流速測(cè)量有著剖面深度較大、范圍寬、精確度高的優(yōu)勢(shì)，但其僅在絕大部分的正常情況下適用[5]。

（2）內(nèi)羅經(jīng)校準(zhǔn)。走航式ADCP主要是與羅經(jīng)提供的磁方位角與各個(gè)聲束多普勒頻移相結(jié)合來(lái)對(duì)實(shí)際的航跡進(jìn)行計(jì)算，但是內(nèi)羅經(jīng)所提供的磁方位角在方向上存在一定的誤差，所以需要校準(zhǔn)。

4 走航式ADCP水文流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程質(zhì)量控制措施

4.1做好出庫(kù)前的檢查工作

為了能夠促使走航式ADCP運(yùn)行的正常性得以保證，需要開(kāi)展預(yù)檢工作。出庫(kù)的時(shí)候應(yīng)與設(shè)備清單進(jìn)行對(duì)照，對(duì)所需要攜帶的各種器件有無(wú)遺漏進(jìn)行檢查;然后對(duì)電源進(jìn)行接通，使ADCP能夠和計(jì)算機(jī)相連，并對(duì)無(wú)線電臺(tái)信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，檢查軟件系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行[6]。

4.2現(xiàn)場(chǎng)儀器的安裝

走航式ADCP通常需要在非鐵磁三體船的支架上進(jìn)行安裝，換能器需要浸入到水深10cm左右，避免其露出水面或者產(chǎn)生空蝕的問(wèn)題;測(cè)流斷面河底假如有砂粒運(yùn)動(dòng)的，需要對(duì)GPS設(shè)備進(jìn)行安裝來(lái)對(duì)船速進(jìn)行測(cè)量;如果對(duì)最大的水深無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，需要對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行安裝來(lái)對(duì)其水深進(jìn)行測(cè)量。

4.3流量測(cè)驗(yàn)

在進(jìn)行測(cè)流工作前期，在操作系統(tǒng)之上應(yīng)對(duì)斷面的位置、測(cè)量日期等相關(guān)的基礎(chǔ)性信息進(jìn)行錄入，對(duì)測(cè)驗(yàn)的始終點(diǎn)距離河岸的距離、岸邊流速系數(shù)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行輸入。如果每半測(cè)回流量值與平均值的偏差超過(guò)了5%，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，并對(duì)其進(jìn)行重新測(cè)量。斷面流量主要涉及到直接測(cè)出的部分流量、兩岸盲區(qū)的流量及岸邊的流量。

4.4做好入庫(kù)相應(yīng)的維護(hù)工作

在水文流量測(cè)驗(yàn)工作結(jié)束之后，應(yīng)與維護(hù)的有關(guān)要求相結(jié)合，對(duì)儀器的換能器進(jìn)行沖洗。供電系統(tǒng)應(yīng)按照有關(guān)規(guī)定對(duì)其做好相應(yīng)的保養(yǎng)工作，野外作業(yè)應(yīng)防止傳感器長(zhǎng)期處于暴曬環(huán)境中;探頭的表面如果有附著物的，應(yīng)對(duì)其維護(hù)工作進(jìn)行謹(jǐn)慎開(kāi)展，如其有較深的劃痕或者是裂痕存在，應(yīng)對(duì)其測(cè)驗(yàn)精度是否會(huì)受到影響進(jìn)行檢驗(yàn);如果防腐蝕部件存在嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，應(yīng)對(duì)新的部件進(jìn)行及時(shí)地更換。

5 結(jié)語(yǔ)

走航式ADCP在受沖淤影響、報(bào)訊任務(wù)比較大的測(cè)站中比較適用，應(yīng)與不同的河流特性相結(jié)合來(lái)對(duì)不同型號(hào)ADCP進(jìn)行選擇，其所具有的優(yōu)勢(shì)能夠在很大程度上適應(yīng)現(xiàn)代水文對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高精度方面的要求，有著廣闊的發(fā)展前景。在實(shí)際應(yīng)用期間，會(huì)發(fā)現(xiàn)一系列的問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)展相應(yīng)的分析與實(shí)踐能夠及時(shí)獲取問(wèn)題的解決方法，并將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，促使ADCP更好地應(yīng)用于水文測(cè)驗(yàn)工作之中，為今后防汛抗旱及水資源的可持續(xù)利用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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