ADP與傳統(tǒng)流速儀封凍期流量測(cè)驗(yàn)比測(cè)精度分析

杜毅治，付 萍，周艷軍

（1.黑龍江省蘿北縣水務(wù)局，黑龍江蘿北154200；2.松遼水利委員會(huì)水文局黑龍江上游水文局，黑龍江 黑河154300）

為適應(yīng)水文現(xiàn)代化要求,減輕封凍期流量測(cè)驗(yàn)工作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)驗(yàn)精度,縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí),引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)儀器并應(yīng)用到工作中去。在2007年和2008年的冬季，松遼委黑龍江水文水資源勘測(cè)局采用聲學(xué)多普勒剖面流速儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ADP)，在卡倫山水文站進(jìn)行封凍期流量比測(cè)試驗(yàn)。

1 測(cè)站概況

卡倫山水文站位于黑龍江干流黑河市下游25 km，俄羅斯結(jié)雅河與黑龍江匯合口下游18.9 km處。集水面積725 000 km2，至河口距離1 899 km，是國(guó)家重要水文站和中央報(bào)汛站。

卡倫山水文站冬季天氣寒冷，最低氣溫為-49.5℃。每年的11月上旬封江，下一年的4月下旬開(kāi)江，每年的封冰期為150 d左右。該站基本斷面處最大冰厚可達(dá)2 m以上。河床為沙卵石組成，斷面沖淤變化不大，斷面含沙量較小。

卡倫山站由于受到地理位置、地形條件、上游來(lái)水量、河流流向以及氣溫等因素的影響，從建站以來(lái)卡倫山水文站基本斷面河段處為倒封江狀態(tài)。這樣使測(cè)驗(yàn)斷面冰底過(guò)水?dāng)嗝媸艿剿髯兓蜏囟鹊挠绊?，出現(xiàn)冰花、冰絮、冰阻塞等復(fù)雜情況。隨著冰厚的增大，以及冰底水流的沖刷使冰花、冰絮逐漸減少。進(jìn)入3月份測(cè)驗(yàn)斷面的冰花、冰絮就消融了，斷面冰厚比較平整，呈現(xiàn)兩岸厚中間薄的特點(diǎn)，但在各別處由于受到冰花、冰絮的影響，冰層較厚。

2 比測(cè)數(shù)據(jù)收集方法

卡倫山站自1987年建站以來(lái)一直使用轉(zhuǎn)子式流速儀法進(jìn)行冰期流量測(cè)驗(yàn)。根據(jù)卡倫山斷面寬度和形狀及斷面冰期特性合理的布設(shè)23條定點(diǎn)垂線，垂線間距離不超過(guò)40 m，通過(guò)流速面積加權(quán)得到流量。比測(cè)試驗(yàn)時(shí)，工作人員分成兩組，一組進(jìn)行轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)驗(yàn)，另一組進(jìn)行聲學(xué)多普勒流速剖面儀測(cè)驗(yàn)。兩組同時(shí)進(jìn)行，這樣可以保證在同一水位級(jí)下進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，降減水位漲落引起的誤差。

ADP與機(jī)械式流速儀涉水測(cè)量的基本原理一樣,在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線在每條垂線處測(cè)量水深并測(cè)量多點(diǎn)的流速?gòu)亩玫酱咕€平均流速。只是在測(cè)深和測(cè)速的方法不同。

2.1 測(cè)深方法

轉(zhuǎn)子式流速儀采用15 kg的鉛魚(yú)利用懸索懸吊方式測(cè)深，水深計(jì)數(shù)器讀取數(shù)據(jù)。ADP采用3個(gè)聲波波速進(jìn)行水深測(cè)量，在測(cè)量歷時(shí)為120 s的過(guò)程中，實(shí)測(cè)的水深數(shù)據(jù)是120次的均值。在測(cè)量過(guò)程中儀器處于相對(duì)靜止的情況下，水深數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

2.2 測(cè)速方法

轉(zhuǎn)子式流速儀是應(yīng)用1～3點(diǎn)法的測(cè)點(diǎn)流速的算術(shù)平均值代表整體垂線的垂線平均流速。

ADP測(cè)量垂線流速是以每0.25 m為一個(gè)流層單元，各單元的平均流速和經(jīng)過(guò)理論補(bǔ)償?shù)玫降姆菍?shí)測(cè)區(qū)流速的平均來(lái)代表整條垂線的平均流速。在測(cè)量垂線流速時(shí)，Stationary Measurement軟件根據(jù)聲學(xué)信號(hào)、冰下水流特性，各流層的流速以及探頭到冰底或冰花底邊的距離，過(guò)流速點(diǎn)中心繪一條比較平滑的流速曲線。軟件設(shè)計(jì)充份考慮到冰期冰底下垂線流速部分特性和冰花、花絮對(duì)水流的影響。

3 使用的儀器設(shè)備情況和參數(shù)設(shè)置

3.1 儀器設(shè)備情況

本次卡倫山站使用頻率為1.5 MHz的Mini-ADP將它定位在流速儀使用的冰孔垂線上，測(cè)量該垂線剖面各單元的流速和水深，再利用Microsoft Excel 2003開(kāi)發(fā)的封凍期計(jì)算實(shí)測(cè)流量成果軟件進(jìn)行計(jì)算和內(nèi)業(yè)整理。

3.2 ADP儀器參數(shù)設(shè)置

Mini-ADP的儀器參數(shù)如表1，用戶(hù)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表1 Mini-ADP的儀器參數(shù)表

表2 用戶(hù)參數(shù)設(shè)置表

聲學(xué)多普勒流速剖面儀內(nèi)部裝羅盤(pán)系統(tǒng)，初次到卡倫山水文站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，由于卡倫山水文站所處地理位置和磁場(chǎng)變化的影響，需對(duì)聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行羅盤(pán)磁場(chǎng)校正。并且每次進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)聲學(xué)多普勒流速剖面儀所測(cè)流斷面方向進(jìn)行標(biāo)定。

4 比測(cè)分析

4.1 數(shù)據(jù)樣本

這次冰期流量比測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本采集只在卡倫山水文站進(jìn)行，共計(jì)9次200條垂線。比測(cè)采用Ls1206B型號(hào)的機(jī)械旋漿式流速儀,聲學(xué)多普勒剖面儀采用美國(guó)SonTek/YSI公司生產(chǎn)的1.5 MHz mini-ADP。

由于卡倫山站冬季來(lái)水量比較穩(wěn)定，水位變幅較小，比測(cè)實(shí)驗(yàn)水位變幅在88.00～88.70 m之間。實(shí)測(cè)最大水深4.98 m，最大有效水深4.09 m；實(shí)測(cè)最小深2.04 m，最小有效水深1.13 m。實(shí)測(cè)最大垂線流速0.80 m/s,最小垂線流速0.24 m/s。

4.2 水深比測(cè)誤差分析

對(duì)比測(cè)樣本進(jìn)行誤差分析計(jì)算，誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，表4。

表3 水深比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

表4 水深比測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表

從ADP與鉛魚(yú)測(cè)深誤差統(tǒng)計(jì)表中可以得到87%測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差在±3%之間。相對(duì)誤差在3%～±6%的比測(cè)點(diǎn)，主要受到流速儀法鉛魚(yú)測(cè)深自身的誤差影響，以及受到比測(cè)驗(yàn)的河底凹凸不平的天然河道以及水面上下起浮的影響。

通過(guò)水深比測(cè)和誤差分析，滿(mǎn)足流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范和聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求。從比測(cè)水深數(shù)據(jù)可以看出ADP測(cè)深精度較高。

4.3 流速比測(cè)誤差分析

對(duì)比測(cè)樣本誤差分析計(jì)算，進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，表6。

表5 流速比測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表

表6 流速比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

流速比測(cè)相對(duì)系統(tǒng)誤差為-2.8%，ADP測(cè)得的垂線流速小于機(jī)械旋漿式流速儀測(cè)得的流速。這是由于ADP內(nèi)部安裝有羅盤(pán)，ADP測(cè)得的垂線平均流速是折算到垂直于測(cè)流斷面線的各單元矢量流速分量的平均值。ADP的流速和流向是垂直于斷面的；流速儀流向是平行于水流的流向，但不一定垂直于斷面。因此，沒(méi)有經(jīng)過(guò)流向偏角改正的流速會(huì)大于或等于實(shí)際流速?？▊惿剿恼緮嗝娴南掠伪容^平直，從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)分析，其流向偏角不超過(guò)10°；按現(xiàn)行的測(cè)驗(yàn)規(guī)范不需要改正。所以有些垂線流速儀實(shí)測(cè)的流速大于ADP流速。

流速比測(cè)樣本中有75%的垂線平均流速相對(duì)誤差小于10%。25%的比測(cè)樣本受到冰底冰花、冰絮影響，以及冰層厚度分布不均和河道斷面不平的影響，使冰下水的流層分布規(guī)律發(fā)生了復(fù)雜變化，導(dǎo)致垂線測(cè)點(diǎn)流速不能完全代表垂線平線流速。這樣就使流速儀測(cè)速與ADP測(cè)速產(chǎn)生了較大誤差。

4.4 流量比測(cè)誤差分析

流量比測(cè)誤差分析見(jiàn)表7。

表7 流量比測(cè)誤差分析表

前8次流量比測(cè)誤差均小于5%，滿(mǎn)足聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。4月10日的流量比測(cè)誤差略大于5%，主要是由于1至10號(hào)孔的ADP與流速儀的流速誤差引起的。逐日氣溫的回升以及水位的上漲，使冰底變的光滑和整個(gè)冰厚的浮起，導(dǎo)致冰底水層流速流向發(fā)生變化，流速流向不垂直于測(cè)驗(yàn)斷面線。這樣就使流速儀的流速大于ADP的流速，流速儀的流量大于ADP的流量。

流量比測(cè)結(jié)果的相對(duì)系統(tǒng)誤差為-1.1%。說(shuō)明ADP流量略小于機(jī)械旋漿式流速儀流量，它主要是受流速流向影響引起。將ADP流量與機(jī)械旋漿式流速儀流量進(jìn)行相關(guān)分析,可以看出，兩者相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.998。這說(shuō)明用ADP進(jìn)行封凍期流量測(cè)驗(yàn)性能穩(wěn)定，精度良好。

4.5 有效面積比測(cè)

有效面積比測(cè)誤差分析見(jiàn)表8。

表8 面積比測(cè)誤差分析表

4.6 封凍期流量改正系數(shù)K值變化分析

封凍期流量改正系數(shù)K值變化分析見(jiàn)表9。

表9 K值比測(cè)分析表

從表9中可以看出ADP所測(cè)流量改正系數(shù)K值能夠滿(mǎn)足封凍期流量變化的需要，滿(mǎn)足封凍比測(cè)規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)一個(gè)封凍期的流量比測(cè)試驗(yàn)，由ADP與機(jī)械旋漿式流速儀施測(cè)的流量相比，其系統(tǒng)誤差為-1.1%，達(dá)到國(guó)家一類(lèi)水文站的測(cè)量精要求。ADP能夠作為一種先進(jìn)的測(cè)流儀器應(yīng)到封凍期流量測(cè)驗(yàn)中，滿(mǎn)足黑龍江卡倫山水文站封凍期的流量測(cè)驗(yàn)要求。

2）ADP流量測(cè)驗(yàn)使冬季測(cè)驗(yàn)方式產(chǎn)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變。它采用無(wú)線遙控和通訊，所有的數(shù)據(jù)全部記錄和保存在計(jì)算機(jī)的軟件中，清晰而直觀。測(cè)驗(yàn)結(jié)束，立即可以得到整個(gè)測(cè)驗(yàn)過(guò)程的所有水文數(shù)據(jù)，并且監(jiān)視和分析整個(gè)測(cè)流的合理性，大大提高了測(cè)驗(yàn)的工作效率。與機(jī)械旋漿式流速儀相比，測(cè)驗(yàn)歷時(shí)減少了3/4的時(shí)間，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）ADP在冰期流量測(cè)驗(yàn)積累了一些成功經(jīng)驗(yàn)。常規(guī)定點(diǎn)冰孔，將ADP探頭放到距冰孔冰層底10 cm處，測(cè)得流速和水深相對(duì)穩(wěn)定，與機(jī)械流速儀測(cè)流相對(duì)接近；有冰花的定點(diǎn)冰孔,應(yīng)將ADP探頭放到冰花下10 cm處；對(duì)于有二層冰的冰孔，ADP探頭應(yīng)放到二層冰下10 cm處。

4）卡倫山水文站封凍期應(yīng)用聲學(xué)多普勒流速剖面儀流量比測(cè)實(shí)驗(yàn)的成功，為未來(lái)的冰期流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)用先進(jìn)測(cè)流儀器提供了成功經(jīng)驗(yàn)。使ADP不僅能在暢流期進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn),而且也開(kāi)創(chuàng)了在黑龍江上冬季封凍期進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的先例。為與卡倫山水文站具有相近水文特性的黑龍江干流中下游水文測(cè)站冬季封凍期流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)用新的先進(jìn)測(cè)驗(yàn)儀器提供了方法和依據(jù)。同時(shí)也為北方高寒冷地區(qū)封凍期流量測(cè)驗(yàn)提供了自動(dòng)化程度較高的測(cè)流設(shè)備和成功經(jīng)驗(yàn)。