蔣建平，朱漢華

（長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011）

0 引言

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）具有不擾動流場、連續(xù)施測、測流歷時短的特點[1]，目前在水文測驗中已普遍應(yīng)用，但設(shè)備主要依賴進(jìn)口，存在價格高、采購周期長、維修困難等特點。國內(nèi)近些年在 ADCP 的研發(fā)和產(chǎn)品化方面取得了一些進(jìn)展，推出了一系列國產(chǎn) ADCP 產(chǎn)品，2016 年 9 月RIV-600 型 ADCP 通過了水利部新產(chǎn)品鑒定。為了推進(jìn)國產(chǎn) ADCP 應(yīng)用進(jìn)程，針對國外同頻率的ADCP 底跟蹤施測流量出現(xiàn)偏小現(xiàn)象，如流量在 70 000 m3/s 時底跟蹤施測會偏小近 20%，以及鐵質(zhì)測船導(dǎo)致 ADCP 內(nèi)部羅經(jīng)出現(xiàn)偏差，影響到流量計算的準(zhǔn)確性等技術(shù)問題，長江水利委員會水文局開展了國產(chǎn) ADCP 多傳感器應(yīng)用的適應(yīng)性測試。

適應(yīng)性測試采用一種新的方法，分別將國產(chǎn)RIV ADCP 和同頻率的進(jìn)口 RDI ADCP（作為標(biāo)準(zhǔn)）安裝在測船同一側(cè)，均外接 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）和羅經(jīng)，并同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，分析國產(chǎn)RIV ADCP 與進(jìn)口 RDI ADCP 之間的誤差及相關(guān)性，檢驗國產(chǎn) ADCP 在長江應(yīng)用的適應(yīng)性及流量等測量數(shù)據(jù)的精度。

1 測試

1.1 流量測試設(shè)備

流量測試標(biāo)準(zhǔn)采用 RDI WH600 型 ADCP，因該設(shè)備在應(yīng)用于流量基本資料收集前作了大量的比測，精度滿足規(guī)范要求。國產(chǎn) ADCP 設(shè)備為RIV-600 型 ADCP，主要參數(shù)如表1 所示?？紤]到測試用船均為鐵質(zhì)，斷面流量施測時有“動底”的存在，RDI ADCP 配備了 Trimble SPS461 GNSS 一體化羅經(jīng)，并開通了 OmniSTAR HP 星站差分服務(wù)，水平位置偏差小于 0.15 m。2 套衛(wèi)星天線安裝間距為 1.0 m，羅經(jīng)定向精度優(yōu)于 0.25°。RIV-600 型 ADCP 采用的外接定位和定向數(shù)據(jù)與 RDI ADCP 相同，分頻接入。

1.2 流量施測及采用模式選擇

流量適應(yīng)性采用走航式測試，即測船沿測流斷面往返橫渡，通過施測各點的流速、水深和測船的移動方式測定流量，每測次包含 2 個來回。長江干流斷面一般在中高水都存在“動底”現(xiàn)象，且施測均采用鐵質(zhì)船作為平臺，為確保流量施測的精度，外接的 GNSS 和外部羅經(jīng)施測前進(jìn)行了校正[2-3]，并分別施測了底跟蹤和 GNSS GGA 跟蹤模式下不同的流量，通過計算統(tǒng)計用于國產(chǎn) ADCP 不同模式的適應(yīng)性，以及流量、面積、最大流速和水深等特征值的精度評估。當(dāng) GGA 跟蹤模式流量值大于底跟蹤流量值 1% 時，認(rèn)為有“動底”現(xiàn)象，采用 GGA 模式流量值，反之則采用底跟蹤模式值。

1.3 適應(yīng)性測試

RIV-600 型 ADCP 的適應(yīng)性測試主要在長江下游干流水文站進(jìn)行，主要測試 RIV-600 型 ADCP 在有“動底”情況下多傳感器接入后的流速、流向及流量等的精度。適應(yīng)性測試進(jìn)行了 38 個流量測次測試，測試流量范圍為 12 486～70 443 m3/s，測試期間最大斷面流速范圍為 0.98～2.92 m/s，斷面平均含沙量范圍為 0.026～0.339 kg/m3，泥沙中數(shù)粒徑范圍為 0.009～0.063 mm。為了驗證適應(yīng)性，以大通站 2017 年 7 月 6 日高水流量（斷面平均含沙量為 0.339 kg/m3）為例進(jìn)行分析。

大通水文站的一次 RIV 與 RDI ADCP 流量比測，斷面施測 2 個測回，比測統(tǒng)計如表2 所示。該測次 RDI ADCP 斷面平均施測了 471 呯數(shù)據(jù)（每呯 1.54 s）；RIV ADCP 則施測了 1 195 呯數(shù)據(jù)（每呯 0.60 s），數(shù)據(jù)量是 RDI ADCP 的 2.5 倍。RDI ADCP 施測底跟蹤模式流量值為 56 733 m3/s，GGA 跟蹤模式流量值為 70 342 m3/s，底跟蹤模式流量偏小 13 609 m3/s，相對偏小 19.3%，說明該斷面有明顯的“動底”現(xiàn)象。RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤和 GGA（VTG）跟蹤模式航跡線比較圖如圖1 所示，從圖1 可以看出，底跟蹤和 GGA（VTG）跟蹤模式的航跡線明顯不重合，而且底跟蹤航跡線明顯偏離在斷面上游，說明斷面有“動底”現(xiàn)象，底跟蹤模式下流量會偏小。而圖1 a 和 b 坐標(biāo)和圖形的差異，主要是 2 個軟件顯示的設(shè)置參數(shù)導(dǎo)致。在底跟蹤模式下，RIV 與 RDI ADCP 流量最大相對誤差為 1.72%，平均相對誤差為 0.43%； 在 GGA 跟蹤模式下，兩者最大相對誤差為 -0.61%，平均相對誤差為 -0.28%，2 種模式下平均流量相差均小于 ±1%。

表2 RIV 與 RDI ADCP 流量比測統(tǒng)計表

圖1 RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤和 GGA (VTG) 模式航跡線比較圖

對測次施測的斷面流向、面積及平均流速統(tǒng)計分析其相關(guān)性，比測統(tǒng)計如表3 所示。在 GGA 模式下 RIV 和 RDI ADCP 施測的斷面流向半測回最大差值的絕對值為 0.45°，測次平均流向差值的絕對值為 0.21°；施測的斷面面積半測回最大相對誤差絕對值為 0.46%，測次平均相對誤差絕對值為 0.25%；施測的斷面平均流速半測回最大相對誤差為 0.22%，平均相對誤差絕對值為 0.03%，說明 2 種設(shè)備施測的結(jié)果基本一致。

表3 RIV 與 RDI ADCP 斷面流向、面積和平均流速比測統(tǒng)計表

再檢查分析底跟蹤和 GGA 模式下斷面流速等值圖， RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤和 GGA 模式下斷面流速等值比較圖如圖2，3 所示。從第 1 半測回數(shù)據(jù)回放可以看出，RDI ADCP 在施測時中間有幾處底跟蹤失效，而 RIV ADCP 相對數(shù)據(jù)齊全。但 ADCP 底跟蹤模式下，RDI ADCP 施測的斷面水深存在 4 個波束施測相差不一致，導(dǎo)致水深數(shù)據(jù)有鋸齒現(xiàn)象；而 RIV ADCP 施測的水深變化過程平緩光滑。GGA 模式下 2 款 ADCP 斷面流速都漸變均勻，說明軟件中具有外接設(shè)備校正和解決“動底”導(dǎo)致的流量偏小現(xiàn)象功能。RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤和 GGA 模式下斷面流速矢量線比較分別如圖4，5 所示，從圖4 和 5 中可以看出，RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤速度下流速有一點差異，RDI ADCP 數(shù)據(jù)的缺失主要是底跟蹤有幾處失效導(dǎo)致，但 GGA 模式下施測的斷面平均流速過程基本一致，且 RIV ADCP 數(shù)據(jù)明顯密集，這說明施測垂線的數(shù)據(jù)明顯多于 RDI ADCP。

圖2 RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤模式下斷面流速等值比較圖

圖3 RIV 與 RDI ADCP GGA 模式下斷面流速等值比較圖

圖4 RIV 與 RDI ADCP 底跟蹤模式下斷面流速矢量線比較圖

圖5 RIV 與 RDI ADCP GGA 跟蹤模式下斷面流速矢量線比較圖

2 斷面流量精度分析

RIV 與 RDI ADCP 共進(jìn)行 38 測次流量比測（含底跟蹤和 GGA 2 種模式），流量比測比較圖如圖6 所示，流量相對誤差統(tǒng)計圖如圖7 所示。比測流量范圍在 12 486～70 443 m3/s 之間，單次流量比測相對誤差范圍為 -2.28%～2.86%，系統(tǒng)誤差為 -0.83%，總隨機(jī)不確定度為 2.28%。通過分析，流量測驗單次流量允許誤差滿足一類站中水位級總隨機(jī)不確定度小于 6%，系統(tǒng)誤差在 -2%～1% 之間的要求，符合規(guī)范[4]的要求。

3 結(jié)語

通過斷面流量和流向、面積等特征值比測，得出 RIV-600 型 ADCP 主要結(jié)論如下：RIV-600 型ADCP 在長江下游干流斷面流量 70 443 m3/s 以下（斷面平均含沙量為 0.339 kg/m3）出現(xiàn)“動底”后，具有與 RDI WH600 型 ADCP 解決流量偏小相同的功能，外接的 GNSS 和羅經(jīng)通過校正后施測的流量、流向、斷面和平均流速等特征值數(shù)據(jù)精度與進(jìn)口 RDI WH600 型 ADCP 相當(dāng)，滿足規(guī)范精度要求。RIV-600 型 ADCP 數(shù)據(jù)更新率明顯高于 RDI ADCP 設(shè)備，但沒有淺水高精度測量模式，軟件圖表輸出及顯示功能等存在不足和不規(guī)范現(xiàn)象，還需進(jìn)一步完善?？傊琑IV-600 型 ADCP 主要性能和功能滿足長江下游流量在 70 443 m3/s（低含沙量）以下測驗，可替代進(jìn)口 ADCP 用于流量測驗基本資料收集。

圖6 RIV 與 RDI ADCP 流量比測比較圖

圖7 RIV 與 RDI ADCP 流量相對誤差統(tǒng)計圖