走航式寬帶ADCP洪水測驗研究

（遼寧省盤錦水文局，遼寧盤錦124030）

走航式寬帶ADCP洪水測驗研究

王鳳艷，王維志

（遼寧省盤錦水文局，遼寧盤錦124030）

應用走航式寬帶ADCP在遼河洪水期間進行流量測驗，獲取多次實測流量數(shù)據(jù)，與同步流速儀法測得的流量對比分析，評價此型ADCP用于洪水測驗的可行性和可靠性。通過數(shù)據(jù)對比，可以看出該型ADCP適合于洪水流量測驗，并且在洪水測驗過程發(fā)揮出此儀器穩(wěn)定性好、精度高、速度快、成果可靠等特點。

寬帶ADCP；洪水流量測驗；成果分析

受降水影響，遼河干流于2010年7月發(fā)生較大洪水。由于遼河盤山站測驗斷面布設在遼河大橋上，用傳統(tǒng)的流速儀法施測洪水流量，存在儀器懸吊繩索長、儀器入水位置難于控制等影響測驗精度問題。為解決這些問題，并且保證及時、準確地測量到盤山站洪水過程和洪峰流量，應用走航式ADCP設備進行流量測驗。

但是做為走航式ADCP在實際測驗中，多用于流速較小、沖淤變化不大的中低水水流情勢。對于高水位、大流速的洪水測驗，還存在一些不確定因素，測驗誤差是否滿足規(guī)范要求不是很清楚。通過對洪水流量的實際測驗，與流速儀測驗數(shù)據(jù)進行對比，對兩組實測流量的誤差進行分析，研究走航式寬帶ADCP用于大洪水測驗的可行性和可靠性。

1 走航式寬帶ADCP介紹

ADCP，全稱聲學多普勒流速剖面儀，此次應用的是美國RDI公司生產(chǎn)、頻率為600kHz走航式聲學多普勒流速剖面儀，又稱寬帶ADCP。它配備4個換能器，每個換能器與ADCP軸線成一定的夾角，每個換能器既是發(fā)射器又是接收器。利用聲學原理，ADCP向水體發(fā)射固定頻率的聲波，這些聲波碰到水體中懸浮的且隨水體運動的顆粒物后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計算出水流相對于ADCP的速度。同時，還向河床發(fā)射底跟蹤聲波，測出ADCP的運動速度以及水深，然后將水流相對速度扣除船速（安裝ADCP平臺的移動速度）得到水流的絕對速度。

根據(jù)多普勒頻移方程：

式中：Fd——聲學多普勒頻移；F——發(fā)射波頻移；V——沿聲束方向的水流速度；C——聲波在水中的傳播速度。

發(fā)射波頻移F已知，只要測定聲速C和聲學多普勒頻移Fd，即可計算出水流速度V。

寬帶ADCP是指聲信號發(fā)射、接收和處理方法與窄帶不同，寬帶ADCP對于每一點的流速測量，發(fā)射2組或更多組脈沖波，利用脈沖波組之間的相關系數(shù)及相位差來計算多普勒頻移，其測量時短期誤差小,空間和時間分辨率較高。

盤山水文站所用ADCP為寬帶走航式，采用無線發(fā)射方式，主要技術參數(shù)為：工作頻率600 kHz，換能器發(fā)射角20°，工作電壓12V，測速范圍0.01～20m/s，測深范圍0.70～75.0m。

2 測驗斷面情況

遼河由盤山縣沙嶺鎮(zhèn)六間房村進入盤錦市境內，又稱雙臺子河，經(jīng)盤錦市大洼縣入海。盤錦境內流域面積2526km2，河長102.8km。

盤山水文站位于盤錦市雙臺子區(qū)建設街道南遷社區(qū)，是遼河下游控制站，為國家基本站，集水面積為1.38萬km2，測驗項目有水位、流量等。測驗斷面總寬1190m，其中主河道寬約280m。河道左右岸均為混凝土襯砌大堤，河床有沖淤變化。測流斷面設于雙臺子河大橋下游50m，距入海口62 km。中、低水主河道寬約260m，水位達到6.0m時，河水漫過套堤，水面寬可達1100m。

3 洪水情況

遼河鐵嶺以上部分支流，受7月19日18時至22日8時強降水影響，發(fā)生大洪水，遼河干流發(fā)生中等洪水。此次洪水來勢快，持續(xù)時間長，從上游到下游各站洪峰流量及峰現(xiàn)時間情況見表1。

表1 遼河各站洪峰流量及峰現(xiàn)時間表

4 流量測驗情況

4.1 ADCP參數(shù)設置

根據(jù)歷史資料，盤山水文站測流斷面寬260m，最大水深近5m，斷面平均流速在0.5～1.4m/s之間。結合此次洪水發(fā)生時盤山水文站測流斷面情況、水流情勢，ADCP主要參數(shù)設置為：水跟蹤發(fā)射次數(shù)為4；底跟蹤發(fā)射次數(shù)為4；水深單元個數(shù)16個；鹽度為0；盲區(qū)為0.25m，水深單元高度0.50m；測流模式為1，左、右岸邊流速系數(shù)均為0.7；最大水深6.0m；最大流速2.0m/s；上下盲區(qū)流量采用冪函數(shù)流速剖面方法外推，冪指數(shù)為0.1667。

4.2 施測方法

人員在橋面上用繩索將ADCP固定后懸吊于河水中，測量人員于橋面上控制ADCP的行進速度。每次流量施測1個來回，即2個測次，需要10～15min。在測驗過程中，起始及終了位置通過事先在橋面已做好的標志定位。正式開始采集數(shù)據(jù)過程中，保證測船在洪水中避開漂浮物、平穩(wěn)行進，保持船速小于平均流速，使船速和航向不發(fā)生突變，防止出現(xiàn)較大誤差，獲取準確的測量結果?？刂泼總€測回往返流量誤差在±5．0%以內，若超過則追加1個測回。最后以在誤差范圍內的測次的算術平均值作為最終ADCP流量測驗值。

5 流量成果分析

1）對2次洪水過程進行了9次流量測驗，水位變幅為2.31m，最大流量為1430m3/s，最小流量為444m3/s。以流速儀流量為基準，計算2種方法測得流量的誤差，情況見表2。

2）在洪水期間，應用流速儀進行了同步施測。通過對2種方法施測的流量進行對比分析，流量誤差在±0.2%～±5.0%之間，全部符合規(guī)范要求。以2種方法各自計算7月26日至8月19日水量，流速儀法施測流量推算出水量為21.4億m3，以ADCP法施測流量推算同期水量為21.2億m3，兩者相差僅為0.9%。

6 結語

應用走航式寬帶ADCP對遼河洪水過程進行流量施測，采集到9次實測流量數(shù)據(jù)，與流速儀同期測驗數(shù)據(jù)對比，2種方法測得流量最大差未超過5%。說明帶寬為600kHz的走航式寬帶ADCP，在施測大洪水時，只要正確設置儀器測驗參數(shù)，嚴格按照規(guī)范流程進行操作，完全能夠滿足大洪水流量測驗，并且可以充分發(fā)揮其穩(wěn)定性好、精度高、速度快等特點。

［1］SL337-2006，聲學多普勒流量測驗規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社.

［2］SL247-2012，水文資料整編規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社.

［3］田淳，劉少華.聲學多普勒測流原理及其應用［M］.鄭州：黃河水利出版社.

［4］丁克亮，唐山紅.走航式ADCP在2003年淮河大洪水中的應用［J］.安徽水利科技，2003（3）.

［5］韓燈亮，戴善進.走航式ADCP在博羅（二）水文站應用［J］.廣東水利水電，2010（1）.

P335；P332

B

1002－0624（2017）07－0051－02

2017-02-20