ADCP多線積深式流量測驗技術(shù)應(yīng)用研究

宋海松 李德貴 陳寶華 劉培旺

摘要：以往ADCP進行河道斷面流量測驗的應(yīng)用方式是走航式，多沙河流存在“動底”，影響底跟蹤應(yīng)用并給流量測驗結(jié)果帶來較大誤差。采用多線積深式流量測驗方法，利用ADCP依次對多條垂線進行流速流向、水深測量，測記起點距計算總流量，并在黃河中游吳堡、府谷兩站開展了與流速儀法的流量比測試驗，對資料進行了分析和評價，說明多線積深式流量測驗方法作為低沙、平水期流量測驗的一種應(yīng)用方式，可縮短歷時，提高測報技術(shù)水平，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ADCP;多線積深;流量測驗;比測試驗

中圖分類號：TV856

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 005

1 概述

ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）是目前最先進的河流流量測驗設(shè)備，已在我國許多河流的流量測驗工作中得到應(yīng)用，應(yīng)用的方式是走航式。但是，在黃河這樣的多沙河流中，因受“動底”的影響，故測得的流量偏差較大，使得儀器的應(yīng)用受到限制。

黃河中游是黃河暴雨洪水的主要產(chǎn)流區(qū)，也是泥沙的主要來源區(qū)之一。為了防洪和黃河治理、開發(fā)等需要，在此河段布設(shè)有府谷、吳堡等水文站，常年開展洪水和泥沙等水文信息的采集，測驗方法大多是沿用了多年的流速儀法和浮標法。流速儀法采用的是轉(zhuǎn)子式流速儀，人工手持測深桿測水深，手段較為落后;浮標法以人工投放浮標并測量經(jīng)過兩個斷面的歷時來計算流速，借用斷面計算流量，需儲備大量浮標，并且投放浮標的“成活率”不高，用人多，在夜間或雨天測流也存在一定困難。

雖然上述這些站洪水期含沙量高，但是每年有多半時間流量小、含沙量相對較低，具備應(yīng)用ADCP進行流量測驗的條件。吳堡、府谷站都使用具備起點距測算功能的電動吊箱作為渡河測驗裝備，可作為ADCP多線積深式應(yīng)用的承載平臺。本研究在吳堡、府谷站利用ADCP與吊箱聯(lián)合作業(yè)，進行多線積深式流量測驗方法與流速儀法的比測試驗，分析平、枯水期應(yīng)用ADCP進行流量測驗的新方式。

2 試驗測站概況

吳堡和府谷水文站都是國家重點報汛站。

吳堡水文站測驗河段順直長約600 m.河勢穩(wěn)定，主流偏右，流向與斷面基本垂直，洪水時主流較穩(wěn)定。斷面形態(tài)呈窄深梯形復(fù)式結(jié)構(gòu)，河面寬150～500 m，一般中高水沖刷，小水淤積。該站洪水由暴雨或上游融冰開河形成。暴雨洪水暴漲暴落，含沙量大;融冰洪水漲落緩慢，含沙量較小。

府谷水文站測驗河段長300 m.基本順直，河床由細沙、沙礫石組成，河道沖淤變化一般表現(xiàn)為高水時沖刷，低水時淤積，河槽形態(tài)呈矩形。洪水時主流有擺動，流向順直，低水時有斜流。洪水由暴雨或黃河干流凌汛形成。暴雨洪水暴漲暴落，含沙量大;凌汛洪水漲落緩慢，含沙量較小。

每年汛前，兩個測站都會對纜道設(shè)施、吊箱、儀器、測具等進行一次全面檢查和維護保養(yǎng)，流速儀送到專業(yè)檢定機構(gòu)進行檢定。

3 ADCP測流原理

ADCP是利用多普勒效應(yīng)進行流速測量的。儀器主機控制換能器向水下發(fā)射聲波，聲波被水體中的泥沙顆粒、浮游生物等散射體散射，返回的部分能量由換能器接收，經(jīng)過電路處理聲信號變成電信號，再經(jīng)運算處理多普勒頻移而測算出流速。

假定水體中顆粒物移動速度與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的移動方向接近換能器時，換能器接收到的回波頻率高：當(dāng)顆粒物的移動方向遠離換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率低。聲學(xué)多普勒頻移即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差為

式中：v為顆粒物沿聲波方向的移動速度，m/s;F_d、F0分別為聲學(xué)多普勒頻移、發(fā)射頻率，Hz;C為聲波在水中的傳播速度，m/s。

ADCP能直接測出斷面的流速剖面，具有不擾動流場、測速范圍大、自動化程度高等特點。比測試驗使用吊箱纜道、“瑞智”相控陣ADCP，與其配套的其他設(shè)備包括三體船、電源、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、多線法流量測驗軟件SXS Pro。試驗設(shè)備組成及各部分之間的關(guān)系見圖1。

4 比測試驗

4.1 設(shè)備連接

試驗時設(shè)備的作業(yè)模式：數(shù)據(jù)接收處理計算機與吊箱控制臺在操作室內(nèi)：以電動吊箱牽引ADCP搭載的三體船渡河：ADCP與計算機之間的數(shù)據(jù)通信方式采用無線方式。

4.2 比測試驗方法

設(shè)計在吳堡、府谷水文站流量測驗斷面開展與常規(guī)方法的流量比測試驗。含沙量范圍：自清水至因含沙量量級影響至ADCP測流失效：流量范圍：比測測次盡量分布在不同的流量級：比測次數(shù)：每站與常規(guī)方法的流量比測試驗次數(shù)不少于100次，其中與流速儀法實測流量對比應(yīng)不少于30次[1]，其他為ADCP單獨進行流量測驗。與水文站日常流量測驗的同步對比，要求流量測驗在時間上同步，在空間上位置相近：與水位流量關(guān)系線上以水位推求的流量對比，此時流速儀法不需測流，僅有ADCP單獨進行流量測驗。同步對比即在流速儀法測流時，ADCP同時測流。將三體船牽引纜固定在吊箱上，在水流的沖擊下載有ADCP設(shè)備的三體船處于吊箱下游3.0 m左右的位置。

按照與水文站日常測流的垂線數(shù)目和起點距位置布設(shè)垂線，并同時進行測驗。在ADCP實施流量比測試驗的每一條測速垂線上，分別采用60、100 s為垂線測速歷時[2]，分別記錄、計算一組流量數(shù)據(jù)，以此統(tǒng)計、分析和評價ADCP采用60、100 s流速測驗歷時測得的流量成果。

ADCP與流速儀法填記相同的水邊位置、岸邊系數(shù)、測速垂線數(shù)量，并以相同的次序?qū)嵤y流。流速儀法測流垂線數(shù)目按照規(guī)范要求布設(shè)。吳堡、府谷兩站均布設(shè)測速垂線10條以上。

4.3 比測數(shù)據(jù)

比測試驗自2016年3月22日開始至2017年10月底結(jié)束。在兩站試驗期間，都經(jīng)過了一定量級的洪水過程，同時也有含沙量的變化過程。收集資料的范圍見表1。

5 比測成果分析

5.1 比測數(shù)據(jù)處理

在進行資料整理分析時，對粗差進行了處理。2016年7月25日，吳堡站ADCP第56次測流時因含沙量增大，主流中一條垂線無數(shù)據(jù)，故測流結(jié)果嚴重偏?。?017年3月29日到4月2日共17次采用了不同號碼的流速儀，對比資料的流量系列系統(tǒng)偏離2016年數(shù)據(jù)相關(guān)趨勢線：第98次是2016年10月28日ADCP單獨測流與水位流量關(guān)系對比的測次，水位為637.06m，吳堡（二）站流含表查得流量為523 m³/S，25日22時水位為637.05 m，查得流量插補對應(yīng)637.06 m流量為460 m³/s.與523 m³/s同水位流量差別達12%，故舍棄這部分數(shù)據(jù)，對其余測次數(shù)據(jù)按時間順序排列，得到ADCP比測資料序列。

府谷水文站在比測試驗中，ADCP第45測次水深測量值偏小，小串溝沒有測出，流量嚴重偏小;第94測次有的流量超過了總流量的20%，串溝只布設(shè)1條垂線，不符合技術(shù)規(guī)定。舍棄這些流量對比數(shù)據(jù)，將其余測次數(shù)據(jù)按時間順序排列，得到ADCP比測資料序列。

5.2 流量比測成果相關(guān)分析

把ADCP以60、100 s測速歷時所測的流量分別表示為Q60、Q100，流速儀法實測的流量表示為Q實，水位流量關(guān)系線推求的流量表示為Q線。點繪測速歷時為60、100 s的ADCP流量與流速儀法、水位流量關(guān)系線推求的流量相關(guān)關(guān)系圖，見圖2—圖5。從圖2—圖5可以看出，吳堡站ADCP與流速儀法的流量相關(guān)關(guān)系較好。

圖6—圖7為府谷站ADCP Q60、Q100與Q實 的相關(guān)關(guān)系，可以看出兩者不僅成良好的線性關(guān)系，而且關(guān)系點距離關(guān)系線都很近;圖8～圖9分別為Q60、Q100與Q線 的相關(guān)關(guān)系，可以看出雖然兩者成良好的線性關(guān)系，但是點群分布較寬。分別點繪府谷站Q實、Q線與ADCP計算流量的相對誤差，見圖10、圖11。

比較圖10和圖11可以看出，ADCP計算流量與Q實的誤差明顯小于與Q線的;當(dāng)流量小于420 m³/s時，呈明顯的流量越小相對誤差離散度越大的規(guī)律。在以下的資料分析中，對府谷站查線比測流量大于420 m³/s的數(shù)據(jù)進行分析計算。

5.3 誤差統(tǒng)計與分析

按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定，各種方法所使用的儀器在測站正式投產(chǎn)使用前，應(yīng)與流速儀進行比測，并符合下列規(guī)定：①比測宜在水流相對平穩(wěn)時進行，并應(yīng)在高中低水不同水位（或流量）級下均勻分布測次;②比測有效次數(shù)不應(yīng)少于30次;③比測隨機不確定度不應(yīng)超過6%.比測條件較差的不應(yīng)超過7%.系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%，條件較差的不應(yīng)超過+2%。

相對誤差均值X采用式（3）計算：式中：n為測次。

標準差S采用式（4）計算：

5.3.1 吳堡站ADCP流量對比誤差統(tǒng)計分析

采用剔除粗差后的數(shù)據(jù)進行誤差統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

統(tǒng)計結(jié)果表明，本試驗中吳堡站使用ADCP進行流量測驗，以測速歷時100 s測驗的流量與實測流量、查線流量結(jié)果對比的樣本數(shù)分別為29、54個，系統(tǒng)誤差符合條件較差時不應(yīng)超過+2%的規(guī)定，隨機不確定度符合不應(yīng)超過+6%的規(guī)定：測速歷時60 s時，與實測流量和查線流量對比的樣本數(shù)分別有15、18個，與實測流量的對比誤差統(tǒng)計指標滿足要求，但與查線流量對比隨機不確定度超出要求。以60、100 s測速歷時與實測流量、查線流量匯總統(tǒng)計的結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)定。

5.3.2 府谷站ADCP流量對比誤差統(tǒng)計分析

采用剔除粗差后的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析小流量時采用水位流量關(guān)系定線推流的數(shù)據(jù)離散度大。現(xiàn)以420m³/s為界限，統(tǒng)計420 m³/S以上的測次，結(jié)果見表3。

由表3可見，流量在420m³/s以上時.60、100 s的誤差都在規(guī)范允許限差以內(nèi)。若采用全部實測流量測次和大于420 m³/S的查線測次，則統(tǒng)計結(jié)果見表4。由表4可知，60、100 s誤差也都在規(guī)范允許限差以內(nèi)。

5.4 含沙量對測深的影響

影響ADCP測深能力的因素有水深、含沙量及泥沙粒度。ADCP是發(fā)射和接收聲波信號并加以解算進行水深、流速測量的，每發(fā)射一次為一呼。圖12為含沙量與ADCP垂線測量數(shù)據(jù)壞呼比例的關(guān)系。由圖12可知，當(dāng)含沙量在13.7 kg/m³以下時，壞呼比例小，好呼比例在70%以上;當(dāng)含沙量在13.7 kg/m³以上時，關(guān)系點重心向上偏離，含沙量越大壞呼比例越大。

從點繪的含沙量一水深誤差相關(guān)圖（見圖13）可知，含沙量在15.7 kg/m³以下時，即使最大水深4.2 m，ADCP測深誤差相關(guān)點也在誤差零軸上下一定范圍內(nèi)基本均勻分布，點群重心靠近零軸：當(dāng)含沙量在15.7kg/m³以上時，水深誤差關(guān)系點群重心向下顯著偏離，含沙量越大誤差越大，且趨勢明顯。

6 結(jié)語

（1）黃河中游河道來水來沙時間集中，一年中大部分時間含沙量小，基本符合ADCP的適用條件。ADCP多線積深式流量測驗為小含沙量時期流量測驗提供了新的手段。

（2）懸移質(zhì)含沙量是影響ADCP應(yīng)用的主要因素之一，影響儀器的測量能力和適用范圍，超過一定的含沙量甚至?xí)斐蓽y流失效。本研究總體上在11.1～15.7 kg/m³含沙量、4m以下水深取得了正常的試驗資料。

（3）吳堡、府谷兩站河道斷面不穩(wěn)定，比測試驗期間有一定的沖淤變化，可認為比測條件較差，吳堡站流量231～900 m³/s、府谷站流量420～ 900 m³/s的資料分析證明，誤差在規(guī)范允許范圍以內(nèi)。吳堡、府谷兩站比測流量級分布不均勻，流量在900 m³/s以上的資料較少，尚需進一步開展試驗，收集流量、含沙量以及泥沙粒度資料。

（4）在多沙河流的沙質(zhì)河床條件下，河道斷面不穩(wěn)定，“動底”會使走航式ADCP測流受到制約。利用測站有纜道的優(yōu)勢，與ADCP設(shè)備組合應(yīng)用，能夠大大減輕工作人員的勞動強度，縮短測流歷時，提高流量測驗技術(shù)水平。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，河流流量測驗規(guī)范：GB 50179-2015[S].北京：中國計劃出版社，2016：14-55.

[2] 中華人民共和國水利部，聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范：SL337-2006[S].北京：中國水利水電出版社，2006：3-13.