走航式ADCP在蘭州水文站的應(yīng)用

摘 要：為了了解和掌握在不同流量級(jí)、不同含沙量情況下走航式ADCP的流量測(cè)驗(yàn)精度，提高流量測(cè)驗(yàn)效率，減輕測(cè)站工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，在蘭州水文站進(jìn)行比測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析其精度滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：走航式ADCP；比測(cè)；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.075

黃委上游局2005年引進(jìn)的ADCP測(cè)流系統(tǒng)，為了了解和掌握在不同流量級(jí)、不同含沙量及不同懸掛方式等情況下該系統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)精度，提高流量測(cè)驗(yàn)效率，減輕測(cè)站工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，讓這一先進(jìn)技術(shù)盡快得以投入生產(chǎn)使用，蘭州水文站進(jìn)行了多次比測(cè)試驗(yàn)。

1 蘭州站基本概況

蘭州水文站位于蘭州市中山橋下游212m，地處東經(jīng)103°49'，北緯36°04'，集水面積為222551km2，占黃河流域總面積的29.6%。

蘭州站是黃河上游干流上的重要水沙控制站（屬流量測(cè)驗(yàn)一類精度站）。用ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)是近十幾年來(lái)才發(fā)展和應(yīng)用的新的流量測(cè)驗(yàn)方法。

1.1 測(cè)驗(yàn)河段及斷面基本情況

蘭州站測(cè)驗(yàn)河段順直，水流自西向東穿城而過(guò)。兩岸為人工塊石河堤，河槽固定，河床由砂卵石組成，測(cè)流斷面為一“U”型窄深斷面，沖淤變化不大，各級(jí)水位水面寬在180～230m范圍內(nèi)變化；受穩(wěn)定的河槽控制，水位流量關(guān)系曲線一般為單一線，年際變化不大?；舅邤嗝嬖O(shè)于中山橋上，測(cè)流斷面位于基下212m處。

1.2 測(cè)驗(yàn)情況

該站流量測(cè)驗(yàn)以流速儀纜道為主，測(cè)船用以取沙和測(cè)流，特殊情況下使用浮標(biāo)法測(cè)流。

2 ADCP測(cè)流系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)

2.1 ADCP流量測(cè)驗(yàn)原理

ADCP中文通常譯為聲學(xué)多普勒流速剖面儀。用ADCP進(jìn)行河流流量測(cè)驗(yàn)是近十幾年才發(fā)展和應(yīng)用的新的流量測(cè)驗(yàn)方法，是一種動(dòng)態(tài)測(cè)流方法，是隨著測(cè)量船運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)驗(yàn)的。

2.2 ADCP流量測(cè)驗(yàn)試驗(yàn)分析

（1）試驗(yàn)情況。本次試驗(yàn)用的ADCP為美國(guó)RDI公司第三代“駿馬”系列“瑞江”牌1200kHz走航式遙測(cè)型ADCP，由一根牽引繩系于測(cè)流纜道行車架所掛的鉛魚上，另一端系在裝載有ADCP的“三體船”上，由纜道帶動(dòng)“三體船”在斷面上進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

ADCP比測(cè)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)模式，水面航行速度小于0.5m/s，兩邊未測(cè)部分水面間距用纜道記數(shù)系統(tǒng)測(cè)量，上下未測(cè)部分流速采用冪函數(shù)外延計(jì)算。

（2）資料整理及分析。2011年前試驗(yàn)中共計(jì)測(cè)流143份，含沙量從0.576kg/m3 到11.0 kg/m3變化不等；所測(cè)最高水位為1513.07m（對(duì)應(yīng)流量為1350m3/s）， 最低水位為1511.80m（對(duì)應(yīng)流量為499m3/s），水位變幅為2.27m；測(cè)流過(guò)程中水流平穩(wěn)，單次測(cè)流時(shí)間一般為10分鐘，單次測(cè)流過(guò)程中水位變化平緩，采用連續(xù)測(cè)流方式在一定時(shí)期內(nèi)多次測(cè)流。

將ADCP所測(cè)的流量點(diǎn)子點(diǎn)繪在蘭州站水位～流量關(guān)系線上，測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線擬合程度很好。

當(dāng)含沙量較小時(shí)測(cè)流精度較高，當(dāng)含沙量大于5kg/m3時(shí)，所測(cè)流量相對(duì)誤差較大在14%～30%。誤差分析時(shí)按兩種方式進(jìn)行，一是將全部資料進(jìn)行統(tǒng)一分析計(jì)算，平均相對(duì)誤差為2.26%；根據(jù)實(shí)際情況考慮高含沙量對(duì)測(cè)流精度的影響，只考慮含沙量在5kg/m3以下的情況，平均相對(duì)誤差僅為1.2%，系統(tǒng)誤差為-0.4%，隨機(jī)不確定度為4%，符合一類精度站流量測(cè)驗(yàn)允許誤差。

2012年后ADCP測(cè)流96份次，含沙量從0.020kg/m3 到1.56 kg/m3變化不等，所測(cè)最高水位為1514.08m（對(duì)應(yīng)流量為2120m3/s）， 最低水位為1511.12m（對(duì)應(yīng)流量為290m3/s），控制水位變幅2.96m。所測(cè)流量相對(duì)誤差在-3.03%～3.39%。系統(tǒng)誤差為0.42%，隨機(jī)不確定度為2.76%，符合一類精度站流量測(cè)驗(yàn)允許誤差。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，走航式ADCP測(cè)流系統(tǒng)具有費(fèi)時(shí)少、效率高、操作安全等特點(diǎn)，方便快捷，在蘭州水文站含沙量小于5kg/m3的情況下進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)精度滿足規(guī)范要求，符合《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中投入生產(chǎn)的要求，可以作為蘭州站低含沙量情況下的流量測(cè)驗(yàn)方法。另外配備的ADCP未安裝外置羅經(jīng)儀和GPS，出現(xiàn)動(dòng)底時(shí)測(cè)驗(yàn)誤差大。行駛到左岸時(shí)，船體運(yùn)動(dòng)軌跡混亂，導(dǎo)致水面寬測(cè)驗(yàn)不準(zhǔn)確。纜道牽引ADCP安裝GPS存在很多技術(shù)困難，目前難以實(shí)現(xiàn)。

目前黃河上游測(cè)區(qū)軍功站以下測(cè)站，都屬于壩下站，測(cè)站年均含沙量小于1kg/s，水位受水庫(kù)調(diào)節(jié)影響變浮很大，常規(guī)的流速儀測(cè)驗(yàn)方法歷時(shí)長(zhǎng)（1.5小時(shí)），無(wú)法滿足流量測(cè)驗(yàn)精度的要求，走航式ADCP測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短（12分鐘～30分鐘），精度滿足要求，已具備向整個(gè)上游測(cè)區(qū)推廣的條件。

作者簡(jiǎn)介：馬勇（1981-），男，河南商城人，本科，工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)、水文水資源分析研究工作。