基于聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）的應(yīng)用研究

陳福春，唐晶晶，康修洪，鄧凌毅

（江西省水文局，江西 南昌 330002）

1 概況

傳統(tǒng)的流量測驗方法主要有流速儀法、浮標(biāo)法等，測驗手段有人工船測、纜道測量等，這些測驗方法原理簡單明了、實用性強(qiáng)，但費工費時，效率低。為適應(yīng)新時期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和防汛工作的需要，及時向各級防汛抗旱部門提供準(zhǔn)確的水文信息，特別是在大洪水時，要快速采集河流的洪水流量數(shù)據(jù)，聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）測流有其不可比擬的優(yōu)越性。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：現(xiàn)代化水平高，符合現(xiàn)代化水文的要求；適時性強(qiáng)，可及時向防汛抗旱指揮部門提供實時水文信息；測流歷時短，安裝使用方便，測量時不擾動流場，測速范圍廣，測驗精度高；大大節(jié)省了人力、物力、財力，同時由于縮短了測量時間，有利于安全生產(chǎn)。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）應(yīng)用于屬于內(nèi)陸河流的贛江，其適用性如何，不同測驗參數(shù)的設(shè)置和各種測驗條件對結(jié)果的影響程度，與傳統(tǒng)的流速儀法實測流量比較數(shù)據(jù)差別的大小，所得成果是否符合規(guī)范要求，該儀器是否能在江西省推廣應(yīng)用，按照《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范（SL337-2006）》要求，以所述種種都需要通過試驗研究確定。

2 實驗環(huán)境

吉安水文站位于江西省吉安市吉州區(qū)，是長江流域贛江中游主要控制站，屬國家重要水文站，集水面積56223 km2，距河口240 km。該站設(shè)立于1931年，目前主要測報項目有：水位、降水量、水質(zhì)、流量、懸移質(zhì)含沙量、泥沙顆粒分析和水文情報預(yù)報，擔(dān)負(fù)向國家防汛抗旱總指揮部、長江防汛抗旱總指揮部、江西省防汛抗旱總指揮部和吉安、宜春、九江市防汛抗旱指揮部辦公室等12個單位的雨水情報汛及洪水預(yù)報任務(wù)，向沿江兩岸提供水文情報預(yù)報服務(wù)。

吉安水文站測驗河道大致順直，河床由中沙及卵石組成，斷面寬在中低水位時約700 m，高水位時約800 m。測驗斷面主槽為“W”型，主流位于左側(cè)，水位在43 m左右斷面開始出現(xiàn)沙洲。由于河道取沙，斷面上、下游形成大量沙石堆，對低水水流有影響。上游113 km處1993年建成萬安水利樞紐，由于水庫泥沙沉積，多年平均懸移質(zhì)輸沙量由建庫前的748×104t減少至建庫后的318×104t。

吉安水文站實測歷史最高水位54.05 m（黃海高程），實測歷史最低水位42.10 m（黃海高程），實測最大流量 19600 m3/s，實測最大流速 3.59 m/s，實測最大含沙量 1.81 kg/m3，實測最大年降水量 2183.1 mm。吉安水文站水位級劃分為：44.5 m（吳淞基面，下同）以下為低水位，44.5～48.0 m 為中水位，48.0 m 以上為高水位。

3 研究方法

ADCP與流速儀法測流在吉安水文站比測試驗內(nèi)容主要有：垂線流速測定對比、垂線水深測定對比、流量測定對比。

ADCP法與流速儀法流量比測按高中低水位級均勻布設(shè)測次。進(jìn)行流量測驗時，流速儀測流開始用ADCP測一測回（1個往返），測量結(jié)束后再用ADCP測一測回。ADCP測量時，測船航速控制在小于斷面最大流速內(nèi)，位置盡量控制在流速儀測流斷面。流速儀測量在測流斷面固定垂線上進(jìn)行。比測垂線水深及垂線平均流速時，在流速儀法測定固定垂線同時在ADCP操作軟件上讀取垂線水深及垂線平均流速。

3.1 ADCP 流量計算

3.1.1 實測區(qū)域流量計算

ADCP基于如下的公式計算實測區(qū)流量：

式中：QM—斷面流量，m3/s；

s—河流某斷面部分面積，m2；u—河流斷面某點處流速矢量；

ξ—作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；

d s—河流斷面上微單元面積，m2。

3.1.2 非實測區(qū)域流量估算

（1）岸邊區(qū)域流量估算

式中：QNB—岸邊區(qū)域流量，m3/s；

Vm—起點微斷面（或終點微斷面）內(nèi)的平均流速，m/s；

Aa—岸邊區(qū)域面積，m2；

α—岸邊流速系數(shù)，按流速儀法取值，吉安站左右岸均為 0.85。

（2）表層和底層流量推算

表層和底層平均流速借助于指數(shù)流速剖面來推算：

式中：u—離河底高度z處的流速，m/s；

u＊—河底摩阻流速，m/s；

z0—河底粗糙高度；

b—經(jīng)驗常數(shù)，取1/6。

3.2 流速比測

ADCP法和流速儀法的流速比測，收集比測資料14次，每次分別記錄了13根垂線平均流速，共計182根垂線。在14次182根垂線流速比測中（有3根垂線比測經(jīng)分析屬明顯不合理，故作為特殊點，不參加誤差評定），高水測次4次，測速垂線52根，中水測次7次，測速垂線91根，低水測次3次，測速垂線36根。比測的水位變幅 43.52～50.12 m，ADCP 法測定流速變幅0.11～1.84 m/s，流速儀法測定流速變幅 0.09～1.86 m/s。

3.3 水深比測

ADCP法和水文絞車的水深比測，收集比測資料14次（同流速比測測次），每次分別記錄了13根垂線水深，共計182根垂線。在14次182根垂線水深比測的資料中，高水測次4次，垂線52根，中水測次7次，垂線91根，低水測次3次，垂線39根。比測的水位變幅43.52～50.12 m，ADCP 法測定水深變幅 0.47～10.6 m，絞車測定水深變幅 0.54～10.8 m。

3.4 流量比測

ADCP法和流速儀法的流量比測，收集比測資料54次，其中高水測次18次，中水測次28次，低水測次8 次。 比測的水位變幅 43.41～50.66 m，ADCP 法測定流量變幅635～9220 m3/s，流速儀法測定流量變幅647～9580 m3/s。

3.5 非實測區(qū)流量比測

吉安水文站流速儀法實測流量為固定測速垂線，當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)調(diào)整或補(bǔ)充測速垂線的情況時，則對測速測深垂線做出調(diào)整或補(bǔ)充，岸邊部分流速計算以靠岸邊垂線平均流速乘以岸邊流速系數(shù)α得。ADCP法施測時測船盡量靠近兩岸岸邊，測船距岸邊一般在4～10 m，從記錄的20次比測資料分析，左右岸非實測區(qū)流量在20 m3/s以內(nèi)，占斷面總流量的0.1%～0.7%，均未超過 1%。

流速儀法實測流速是在固定垂線上，而ADCP法實測左右岸邊部分流量時，最邊垂線是任意的，由于左右岸邊流速儀法測速垂線與ADCP法靠岸邊實測垂線不在同一位置，又左右岸非實測區(qū)流量占斷面總流量的比重較小，故岸邊部分流量未進(jìn)行比測。

3.6 誤差評定依據(jù)

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-93）和《水文測驗手冊》有關(guān)規(guī)定，以流速儀法實測水文要素為標(biāo)準(zhǔn)值，統(tǒng)計ADCP法實測水文要素與流速儀法實測水文要素的誤差，誤差評定標(biāo)準(zhǔn)為：垂線平均流速和水深的隨機(jī)不確定度不超過3%，比測條件差的隨機(jī)不確定度不超過5%，系統(tǒng)偏差不超過±1%，標(biāo)準(zhǔn)差不超過±5%；斷面流量的隨機(jī)不確定度不超過5%，系統(tǒng)偏差不超過±1%，標(biāo)準(zhǔn)差不超過±5%。同時以水位流量關(guān)系定線的標(biāo)準(zhǔn)（75%以上的中高水點與平均關(guān)系曲線的偏離不超過±5%，75%以上的低水與平均關(guān)系曲線的偏離不超過±8%）作為評定ADCP法和流速儀法流量比測誤差的另一標(biāo)準(zhǔn)。

4 試驗研究成果

4.1 流速比測

ADCP法和流速儀法流速比測誤差評定結(jié)果，詳見表1。

ADCP法與流速儀法流速比測，所測流速在低水位級時，系統(tǒng)誤差符合規(guī)范要求，但隨機(jī)不確定度超出規(guī)范規(guī)定。在高、中水位級時系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度均超出規(guī)范規(guī)定，主要原因在于高、中水位級存在河底床沙運動和測船擺動及兩種儀器測速位置不對應(yīng)所致。

4.2 水深比測

ADCP法和水文絞車的水深比測誤差評定結(jié)果，見表2。

表1 吉安水文站流速比測誤差評定表%

表2 吉安水文站水深比測成果評定表%

ADCP法與絞車法測定水深相關(guān)線呈近45°直線，二者具有很好的相關(guān)性，表明ADCP測定水深總體與絞車測定水深相等。但隨機(jī)不確定度超標(biāo)，其原因是兩種儀器很難做到在同一測點上測深，測點之間存在間距。

4.3 流量比測

ADCP法和流速儀法流量相關(guān)圖見圖1，誤差評定結(jié)果見表3。

分析表3，吉安水文站ADCP法與流速儀法流量比測，有較高的合格率，但在高、中水時系統(tǒng)誤差偏小，其誤差超出規(guī)范規(guī)定，其原因主要為高水時含沙量大，床沙的動河床效應(yīng)明顯，使ADCP測得的流速偏小，而且水位越高，誤差越大。從圖1可見，水位從46.5 m起，ADCP法與流速儀法流量點據(jù)出現(xiàn)分叉，并且隨水位增高分叉越大，也說明高中水位級ADCP法測得的流量較流速儀法測得的流量隨著水位增高誤差逐漸增大。

4.4 ADCP實測流量修正分析

通過ADCP法與流速儀法的流量比測分析，ADCP法實測流量較流速儀法實測流量呈系統(tǒng)偏小趨勢，且隨水位增高，偏差越大。為此，可與流速儀實測流量做進(jìn)一步的相關(guān)分析，探求其可適用性。

ADCP法測定流量與流速儀法測定流量從關(guān)系線分析，水位自45 m起，二者關(guān)系線出現(xiàn)分叉，且隨水位增高，分叉越大，自水位45 m起，水位每增高0.1 m，分叉線上流量的差值約為5 m3/s，至所定流量線最高水位51 m，差值約300 m3/s，根據(jù)此關(guān)系，以ADCP測定時的水位（H）做參證，建立（修正水位大于等于45 m所測ADCP 流量）修正關(guān)系為：QADCP修正＝（H-45）/0.02，將此修正流量加上ADCP測定流量，為修正后的ADCP流量。

由于ADCP法測定流量隨著水位的增高與流速儀法測定流量的差值呈線性關(guān)系，故可利用此相關(guān)關(guān)系和水位求出修正后的ADCP流量，再與流速儀法測定流量進(jìn)行誤差評定。

經(jīng)過修正后的ADCP流量與流速儀法實測流量的誤差評定結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，修正后的比測誤差符合評定依據(jù)的要求，表明吉安水文站ADCP實測流量經(jīng)修正后，誤差未超出規(guī)范要求，可作為常規(guī)流量測驗成果。

圖1 吉安水文站ADCP法與流速儀法水位流量關(guān)系圖

表3 吉安站流量比測成果評定表%

5 存在問題與建議

吉安水文站高、中水位級ADCP法與流速儀法流速比測可取得較高的精度，而低水位級的合格率比高、中水位級偏低，主要原因為低水ADCP法測速受行船不穩(wěn)定影響，或水深太淺，流速紊亂所致。

各水位級ADCP法測定水深與絞車法測定水深二者有很好的相關(guān)性。

從ADCP在吉安水文站比測試驗情況分析，主要存在問題：中低水位級實測流量ADCP法與流速儀法基本相符，而高水位級實測流量ADCP法較流速儀法呈系統(tǒng)偏小趨勢，且隨水位增高偏差增大；高、中水位級存在底沙運動，導(dǎo)致底跟蹤失效，測定的船速失真，水流流速偏小。

因此，針對存在的問題，筆者建議：配備GPS，采用GPS測量船速，以消除有底沙運動時的影響；配備手持測距儀，測定ADCP至岸邊距離；配備GPS后，應(yīng)重新與流速儀法進(jìn)行比測分析。

表4 修正ADCP流量后誤差評定表%

由于ADCP法測定流量隨著水位的增高與流速儀法測定流量的差值呈線性關(guān)系，利用此相關(guān)關(guān)系和水位求出修正后的ADCP流量，誤差評定符合要求，表明吉安水文站ADCP實測流量經(jīng)修正后，誤差未超出規(guī)范要求，可作為常規(guī)流量測驗成果。