基于ADCP和點(diǎn)式流速儀的人工渠道流量測驗(yàn)分析

摘 要：渠道斷面流量準(zhǔn)確、高效測驗(yàn)一直是水文測驗(yàn)中的重點(diǎn)。采用走航式ADCP和點(diǎn)式流速儀對新疆某供水工程三個典型斷面進(jìn)行比測，根據(jù)流量比測結(jié)果，驗(yàn)證不同測驗(yàn)方法的可行性，分析二者測得流速、流量的差異性。結(jié)果表明：走航式ADCP和點(diǎn)式流速儀測驗(yàn)精度均較高，但走航式ADCP具有采集數(shù)據(jù)量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在人工渠道等大流量、大斷面的測驗(yàn)中優(yōu)勢顯著。

關(guān)鍵詞：ADCP；點(diǎn)式流速儀；流量測驗(yàn)；比測

中圖分類號：TV123" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

流量測驗(yàn)是水文工作的重要內(nèi)容，對水利工程建設(shè)、管理運(yùn)行、水資源調(diào)度等起著關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐作用。天然河流或渠道流量的測驗(yàn)方法是在待測斷面布置多條垂線，通過點(diǎn)式流速儀對垂線上一至多點(diǎn)的流速進(jìn)行測量，計(jì)算出該垂線的平均流速，并根據(jù)斷面面積和相應(yīng)流速乘積計(jì)算斷面流量[1-2]。隨著水文測試儀器設(shè)備的迅速發(fā)展，聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）被廣泛使用。ADCP可以快速獲取水體流速和流向的剖面分布情況，從而有效地評估水流的特性和動力學(xué)行為。相比傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)方法，ADCP具有更高的測量效率和精度，能夠?qū)崟r(shí)采集大量的流速數(shù)據(jù)，并自動計(jì)算出流量，不僅能節(jié)省時(shí)間和人力成本，還能提供更準(zhǔn)確、全面的流量信息。隨著ADCP的廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用技巧和方式也變得多樣化。例如，可以將其安裝在船只上對海洋、河流等水域進(jìn)行測量，也可以將其安裝在固定點(diǎn)進(jìn)行長期觀測，還可以配合其他儀器設(shè)備，如水位計(jì)、溫度計(jì)等進(jìn)行綜合測驗(yàn)[3-5]。

ADCP通過換能器向目標(biāo)水體發(fā)射聲學(xué)脈沖，脈沖回波后被換能器接收并計(jì)算出沿聲束方向的水流速和設(shè)備通過的過水?dāng)嗝婷娣e，進(jìn)而計(jì)算測驗(yàn)對象的流量。ADCP觀測結(jié)果影響因素較多，未經(jīng)處理的測驗(yàn)結(jié)果可能存在一定誤差，因此，需要對原始的測驗(yàn)成果進(jìn)行質(zhì)量控制[6-8]。國內(nèi)外對于ADCP在不同測驗(yàn)環(huán)境、不同測驗(yàn)對象的使用研究越來越多，一些學(xué)者對走航式ADCP觀測資料質(zhì)量控制技術(shù)開展了研究[9-10]。走航式ADCP在國內(nèi)測量天然河流時(shí)使用頻次較高，但是對于不同設(shè)計(jì)流量的人工渠道測驗(yàn)實(shí)例較少。

本研究結(jié)合工程實(shí)際，對新疆某供水工程的典型斷面進(jìn)行走航式ADCP與點(diǎn)式流速儀的比測工作，根據(jù)比測結(jié)果驗(yàn)證ADCP的適用性和精度。兩組設(shè)備在同一斷面、同一時(shí)刻進(jìn)行測驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，分析二者之間的誤差。根據(jù)兩種儀器的實(shí)測資料，擬提出更適合人工渠道的測流方案，為不同特性的人工渠道及天然河流測驗(yàn)工作提供參考依據(jù)。

1 測驗(yàn)對象及方案

1.1 測驗(yàn)對象

新疆某供水工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿爾泰山與天山之間，自北向南橫穿荒漠和戈壁，自然條件惡劣。該供水工程屬于長距離明渠輸水工程，工程沿線每間隔一定距離有測橋及公路橋，有利于研究組進(jìn)行流量測驗(yàn)。本文以該供水工程為研究對象，選取干渠斷面、支渠斷面和SM處（某管理處）斷面為測驗(yàn)斷面，采用ADCP及點(diǎn)式流速儀（多點(diǎn)法）進(jìn)行比測。因涉及工程保密信息，測驗(yàn)斷面、相關(guān)數(shù)據(jù)及供水工程概況做簡化處理（見圖1）。

1.2 比測方案

2022年5月至2023年8月，分別在渠道高、中、低水位比測流量，通過現(xiàn)場測驗(yàn)獲取走航式ADCP數(shù)據(jù)共計(jì)54測次，采用點(diǎn)式流速儀獲取不同垂線及不同水深測點(diǎn)數(shù)據(jù)約720個。為避免輸水不穩(wěn)定產(chǎn)生的脈沖流速帶來的測量誤差，測驗(yàn)時(shí)間選取供水工程輸水流量穩(wěn)定期。三個測驗(yàn)斷面均為該工程的重點(diǎn)測驗(yàn)斷面，有利于研究人員進(jìn)行流量測驗(yàn)。比測設(shè)備主要使用“瑞譜”牌走航式河流ADCP（RDI RiverPro ADCP）及LS25-1型流速儀。分別使用兩種儀器對渠道斷面0.2倍水深、0.6倍水深和0.8倍水深的流速進(jìn)行測量，以比較ADCP對流速測量的準(zhǔn)確性。

其中，LS25-1旋槳流速儀是一種中小量程的流速儀，用于低流速河流及渠道、淺水湖庫的中、低流速測量。ADCP測驗(yàn)?zāi)Ｊ椒譃閮煞N：水追蹤（GGA）和底追蹤（BTM）。水追蹤（GGA）模式下，ADCP利用聲波信號追蹤水體中的懸浮顆粒（如氣泡、粒子等），得到流速數(shù)據(jù)，適用于含沙量較高的水體。在低含沙量的情況下，信號強(qiáng)度較弱，可能會降低測量精度。底跟蹤（BTM）模式則通過探測水底來獲得流速數(shù)據(jù)，該模式更適合在人工渠道進(jìn)行流量測驗(yàn)。

2 測驗(yàn)方法與質(zhì)量控制

2.1 ADCP測驗(yàn)方法與質(zhì)量控制

2.1.1 ADCP測驗(yàn)方法

ADCP利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測量，根據(jù)水體懸浮顆粒反射產(chǎn)生的回波形成特定的多普勒頻移[11]，再根據(jù)這些頻移獲得對應(yīng)的頻率參數(shù)，可以獲得準(zhǔn)確的流速[12]。多普勒頻移方程為式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移（Hz）；F為發(fā)射波頻移（Hz）；V為沿聲束方向的水流速度（m/s）；C為聲波在水中的傳播速度（m/s）。

走航式ADCP測驗(yàn)方法在渠道（尤其是大流量輸水渠道）中的應(yīng)用情況相對較少，難點(diǎn)主要在于大流量輸水渠道往往伴隨流速較大的不利情況，僅僅依靠渠道兩端測驗(yàn)人員容易導(dǎo)致船體傾斜甚至翻船，現(xiàn)場測驗(yàn)難度及安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

在走航式ADCP施測過程中，共有三名測驗(yàn)人員參與流量測驗(yàn)，其中兩名測驗(yàn)人員分別在渠道左右兩岸控制船體走航。因該工程渠道流速范圍較大（1.10～1.92 m/s），為增強(qiáng)船體穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)完整可靠，在三體船船頭處增加“牽引繩”，由第三名測驗(yàn)人員控制船體方向，保證船艏方向平行于水流方向（見圖2）。本研究三個測驗(yàn)斷面水深范圍為0～5.96 ｍ，處于ADCP底跟蹤（BTM）可使用的深度范圍內(nèi)。在開始走航觀測前，設(shè)置ADCP的入水深度為7～15 cm。

2.1.2 盲區(qū)插補(bǔ)估算方法

ADCP工作時(shí)存在4個非實(shí)測區(qū)（見圖3），即盲區(qū)。4個盲區(qū)分別為水面的表層盲區(qū)、靠近河床或渠道底部的盲區(qū)以及左右兩個靠近河岸或因測船無法靠近而產(chǎn)生的邊部盲區(qū)。在這4個盲區(qū)范圍內(nèi)，系統(tǒng)無法準(zhǔn)確計(jì)算水體流速，需通過實(shí)測區(qū)數(shù)據(jù)外延進(jìn)行估算[13]。

通常采用Constant（常數(shù)法）、Power （冪指函數(shù)法）等計(jì)算ADCP盲區(qū)數(shù)據(jù)，其原理為：獲取多點(diǎn)法實(shí)測測點(diǎn)的流速資料，采用概化指數(shù)流速分布公式求得。經(jīng)驗(yàn)公式為式中：uη為某相對水深處的測點(diǎn)流速（m/s）；umax為線上最大測點(diǎn)流速（一般由垂線水面點(diǎn)流速代替，m/s）；η表示相對水深；b表示冪函數(shù)指數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，天然河流b值在1/10～1/2范圍內(nèi)變化[13]，本研究b值取為1/6，進(jìn)行盲區(qū)插補(bǔ)計(jì)算。

ADCP邊部盲區(qū)的計(jì)算式為式中：Q表示邊部流量（m3/s）；VC為邊部流速形狀系數(shù)；Vm為ADCP實(shí)測剖面流速（m/s）；L為估算剖面距水邊的距離（m）；Dm為ADCP實(shí)測剖面深度（m）。

由式（3）可知，岸邊測量的VC和L是ADCP流量測驗(yàn)誤差主要來源。對于渠道測驗(yàn)，兩側(cè)盲區(qū)近似于三角形，在邊部流量插補(bǔ)估算時(shí)，左、右岸邊部流速形狀系數(shù)VC均取0.35[13]。計(jì)算L時(shí)應(yīng)考慮測船?？课恢门c岸邊的距離。L和VC一定的條件下，邊部流量估算的誤差主要來源于Vm和Dm，因此，ADCP測驗(yàn)開始和結(jié)束應(yīng)逼近岸邊，提高起始和結(jié)束時(shí)垂線的剖面測量精度，保證邊部流量的插補(bǔ)精度。

2.2 點(diǎn)式流速儀測驗(yàn)方法與質(zhì)量控制

LS25-1旋槳流速儀在水文測驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，其工作原理為水流帶動流速儀的旋槳運(yùn)動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而根據(jù)檢定的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流速[14]：

式中：V為測點(diǎn)流速（m/s）；k為旋槳水力螺距（m/r），n為流速旋槳輸出的信號頻率；c為常數(shù)；N為測量轉(zhuǎn)動次數(shù)；T為頻率系數(shù)。

為保證流速儀測量精度，在測驗(yàn)過程中每個測點(diǎn)的測驗(yàn)時(shí)間為30～60 s。由于供水渠道流速較大，特在流速儀下方安裝8 kg或15 kg水文鉛魚（根據(jù)不同流速進(jìn)行配置）作為配重，以保證流速儀在測點(diǎn)上的穩(wěn)定性。其它現(xiàn)場測驗(yàn)方法按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）執(zhí)行。流速儀測驗(yàn)裝置見圖4。

3 結(jié)果與討論

新疆某供水工程在每年5—8月渠首段始終保持設(shè)計(jì)流量向下游輸水，三個待測斷面流量恒定，未對測驗(yàn)過程產(chǎn)生影響。其中，該工程管理處的流量、流速測量值為雷達(dá)表面流速法、水位流量關(guān)系法、明渠流量直測裝置等多個測驗(yàn)方式方法綜合后得到，數(shù)據(jù)經(jīng)多年工程運(yùn)行檢驗(yàn)，可以認(rèn)為管理處流速較為準(zhǔn)確，因此，以該供水工程管理處測得水深、流速、流量數(shù)據(jù)為真值，進(jìn)行流速、流量誤差分析。

3.1 流速測驗(yàn)分析

采取走航式ADCP測驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將斷面最大水深垂線五等分，分別測量垂線上0.2倍水深、0.6倍水深及0.8倍水深處的流速。不同水深對應(yīng)流速如表1所示，測得流速數(shù)據(jù)范圍為1.126～1.912 m/s，最大流速差出現(xiàn)在干渠斷面的0.2倍水深處，為0.095 m/s。對比分析走航式ADCP和點(diǎn)式流速儀三點(diǎn)法的測值，可知，在相同斷面同一測點(diǎn)，兩種儀器的流速測值接近。對比幾組流速數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，走航式ADCP在接近表層（0.2倍水深）測值均比點(diǎn)式流速儀測值偏大，中層（0.6倍水深）流速差相對最小，測驗(yàn)數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確；在0.8倍水深處，二者測得數(shù)據(jù)最為接近。經(jīng)測驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際情況比對分析，走航式ADCP在測驗(yàn)過程中受表層風(fēng)生流影響較大，船體晃動導(dǎo)致三體船吃水深度變化，從而產(chǎn)生一定誤差；而點(diǎn)式流速儀在測驗(yàn)過程中，始終保持固定測點(diǎn)位置，測驗(yàn)結(jié)果相對穩(wěn)定。因此，ADCP測驗(yàn)應(yīng)避開大風(fēng)、降雨等惡劣天氣。

設(shè)流速數(shù)據(jù)為（xi，yi）（i=1，2，3，…，n），x為ADCP垂線流速（m/s），y為點(diǎn)式流速儀垂線流速（m/s），則二者關(guān)系可表示為式中：a為斜率；b為截距；R為相關(guān)系數(shù)。

采用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到兩個測驗(yàn)設(shè)備測得流速的相關(guān)分析結(jié)果：

可知，點(diǎn)式流速儀和ADCP實(shí)測垂線流速相關(guān)系數(shù)R2為0.967 6，近似于1；二者流速擬合后得到直線斜率a為0.935 7，接近于1，截距b趨近于0，說明ADCP在人工渠道中施測得到的流速與點(diǎn)式流速儀測算的流速存在較好的一致性（見圖5）。

3.2 流量及誤差形成分析

由于支渠斷面流量與SM處流量接近，因此，在本節(jié)僅比較兩種測驗(yàn)設(shè)備在干渠斷面與SM處斷面的流量情況。

采用點(diǎn)式流速儀進(jìn)行測驗(yàn)時(shí)，通過流速面積法計(jì)算流速。水面寬度通過卷尺現(xiàn)場測量，水深數(shù)據(jù)則來源于渠道斷面兩側(cè)的水尺讀數(shù)。取該供水工程管理處的測量值作為流量真值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度[15]的計(jì)算。由表2可知，以干渠斷面為例，流速儀法的水深-流量關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為3.92%，隨機(jī)不確定度為8.47%；ADCP測驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)差為1.29%，隨機(jī)不確定度為4.13%。分析其原因?yàn)锳DCP對渠道過水?dāng)嗝婷娣e測量更為準(zhǔn)確，而點(diǎn)式流速儀僅能通過現(xiàn)場測量對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行估測，計(jì)算值與實(shí)際斷面面積存在一定誤差。兩種不同的流量測驗(yàn)方法精度均較高，但在測驗(yàn)渠道過水?dāng)嗝婷娣e較大（即渠寬和渠深較大）時(shí)，ADCP流量測驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，測量數(shù)據(jù)結(jié)果更穩(wěn)定。并且，在實(shí)際測驗(yàn)過程中，ADCP的操作和測驗(yàn)結(jié)果輸出方式更高效、準(zhǔn)確。

根據(jù)測驗(yàn)結(jié)果及測驗(yàn)過程初步分析，ADCP的岸邊距設(shè)置誤差、水深誤差及盲區(qū)誤差是ADCP測驗(yàn)過程中的主要誤差來源[16]。

以ADCP測得渠道中部流量為例，中層流量q和測驗(yàn)斷面平均寬度W的計(jì)算式為

式中：vb為測船船速（m/s）；d為中層平均水深（m）。

ADCP的測驗(yàn)均方差為

式中：Δt為采樣時(shí)間間隔；m為水體相對密度；f為ADCP頻率；R0為發(fā)射速率。結(jié)合式（9）—式（11）得到流量測驗(yàn)的相對誤差：

由式（12）可知，測船船速是影響流量測驗(yàn)精度的重要因素，因此，在測驗(yàn)過程中需要根據(jù)測驗(yàn)的具體目標(biāo)和需求，確定合適的測驗(yàn)船速。如果需要獲取斷面局部流速分布信息，則測船船速應(yīng)盡可能低，以提高測量精度。其次，在岸邊距設(shè)置時(shí)應(yīng)可能保證測流斷面面積準(zhǔn)確。

對ADCP 3個測驗(yàn)斷面各8個測次數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，分別計(jì)算各測次的誤差和施測斷面測驗(yàn)的誤差平均值（見表3）。其中，干渠斷面流量最大（約122 m3/s），流量誤差平均值相對最小（0.75%）；支渠斷面和SM處斷面流量僅為干渠斷面的1/3，其測驗(yàn)誤差平均值相對有所升高，分別為1.16%和1.45%，與上述公式分析結(jié)果一致。因此，測驗(yàn)對象流量及過水面積越大，流量測驗(yàn)誤差相對越小，說明ADCP更適合大流量水體的測驗(yàn)工作。

4 結(jié)論

（1）在人工渠道流量測驗(yàn)中，對比走航式ADCP和點(diǎn)式流速儀多點(diǎn)法兩種測驗(yàn)方法，結(jié)果表明：ADCP在大流量及過水面積較大的渠道中測量結(jié)果更準(zhǔn)確，測量數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。在實(shí)際測驗(yàn)過程中，ADCP的操作方式更高效，測驗(yàn)結(jié)果輸出更準(zhǔn)確。

（2）走航式ADCP測驗(yàn)誤差與船速有關(guān)，測驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證船速不大于流速。

（3）走航式ADCP在測驗(yàn)大流量水體時(shí)誤差更小，而點(diǎn)式流速儀更適合小流量測驗(yàn)。

（4）走航式ADCP在測驗(yàn)時(shí)，需減小岸邊距設(shè)置誤差，保證測流斷面面積準(zhǔn)確，以提高流量測驗(yàn)精度。

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Analysis of Artificial Channel Flow Test Based on ADCP and Point Current Meter

XU Jinzhong1，SHI Haoyang2，DING Hao1，WANG Yang1，YANG Wei2，HUANG Minghai2

（1. Xinjiang Water Group Co.，Ltd.，Urumqi 830000，China；2. Hydraulics Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Accurate and efficient test of channel cross-section flow is the focus of hydrometry. In this study，we performed comparative tests in three typical sections of a water supply project in Xinjiang by ADCP and point current meter. According to the flow comparison data，we verified the feasibility of different test methods，and analyzed the difference in flow velocity and flow rate measured by the two methods. Results show that the accuracy of flow test by vessel-mounted ADCP and point current meter are both high. However，in test with large flow and large cross-section such as artificial channels，ADCP excels in large data collection and high efficiency，and has significant advantages in hydrometry.

Key words：ADCP；point current meter；flow test；comparative measurement

基金項(xiàng)目：新疆水利發(fā)展投資（集團(tuán)）有限公司技術(shù)研究項(xiàng)目（JWYX46/2022）

作者簡介：徐進(jìn)忠，男，高級工程師，本科，研究方向?yàn)樗姽こ?。E-mail：49903193@qq.com

通信作者：石浩洋，男，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動力學(xué)。E-mail：1044752294@qq.com