走航式ADP應用于黑龍江洛古河站比測分析

吳高莊，周艷軍，張 羽，王化鑫

（松遼委水文局黑龍江上游局，黑龍江 黑河 164300）

1 測站基本概況

洛古河水文站是黑龍江干流上游入口控制站，測驗河段順直長約2 000 m，基本水尺斷面河槽呈W形，平水時河寬450 m、最大水深約3.0 m，汛期斷面最大含沙量不超過500 g/m3，河床為卵石組成，斷面沖淤變化小，水位流量關系為單一曲線，水面比降為0.02%～0.04%。

2 試驗及資料收集

1）試驗目的。用走航式ADP取代轉子流速儀進行流量測驗。黑龍江屬于國際河流，測站沒有纜道設施，汛期測驗方法采用船載機械式轉子流速儀法，在固定斷面施測13條測速垂線，利用流速面積法求得流量。受外在因素的影響，測船定位存在誤差，而且測驗歷時長，作業(yè)強度大，這種流量測驗方式有待改進。

2）實驗內容。使用ADP和機械式轉子流速儀同時對斷面進行流量測驗，通過對測驗成果的比較分析，找出兩種測驗方法的相關性，探討用走航式ADP代替轉子流速儀法測驗的優(yōu)缺點及解決實際應用中的疑難問題。

3）資料收集方法。機械式轉子流速儀法是根據(jù)斷面形狀及流速沿河寬的分布特性，合理用13條垂線代替整個斷面，通過施測流速、水深進而獲得斷面流量。走航式ADP測驗方法是將ADP安裝在沖鋒舟特制的固定支架上，利用ADP三個探頭發(fā)射的波束施測剖面流速及水深，軟件自動合成流量。

3 測船性質與儀器設備

測船采用鋁質，長3.0 m×寬1.5 m的沖鋒舟，YAMAHA30馬力的機器，吃水深度為0.30 m，行駛便捷。儀器采用美國SonTek/YSI公司生產的1.5MHZ的mini-ADP一套，該頻率的ADP測量范圍為：測速范圍0～10 m/s、盲區(qū)0.4 m、最小單元尺寸0.25 m、最小測量深度0.90 m、最大測量深度25 m。

4 系統(tǒng)流量測驗軟件參數(shù)的選用依據(jù)與設置

系統(tǒng)軟件采用RiverSurveyor4.31操作軟件，系統(tǒng)參數(shù)的選用及依據(jù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)選用及依據(jù)

采用SonUtils3.02儀器診斷軟件，現(xiàn)場測驗之前運行自檢程序，對儀器進行內部診斷，測試電路和傳感器，并查看其內部設置。

5 誤差分析

1）水深和平均流速的定點測量及比測。同時使用ADP與旋槳式流速儀測量同一條垂線的“水深”和“平均流速”。兩個儀器同時安裝，并同時采集數(shù)據(jù)。這樣做是為了使水深和平均流速達到更直接的對比。經過對采集的177個樣本進行分析，結果發(fā)現(xiàn)87%的樣本水深誤差不超過±3%，另外13%的樣本水深誤差在±3%～±6%，考慮到用鉛魚測深方法的精度為0.10 m，這個差值可忽略不計。

經對177個樣本比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測平均流速實測的對比結果極其相近，兩者流速比測絕對誤差平均值為0.01m/s，相對系統(tǒng)誤差為-2.8%，其誤差在ADP與機械流速儀的測量精度范圍內，兩種不同方法的實測數(shù)據(jù)產生一定的相對誤差在所難免，這樣的誤差范圍是可以接受的。

2）垂線流速比測與精度分析。流速儀法進行流量測驗，垂線流速測點分布采用三點法（0.2，0.6，0.8）。垂線平均流速采用公式 Vm=（V0.2+V0.6+V0.8）/3來計算。而用ADP測量的每條垂線多達10個單元以上，而且是將各單元的平均流速和經過理論補償而得到的非實測區(qū)流速的平均來代表整條垂線的平均流速。每個單元的水深為0.25 m，在較深的河道最多可實測40多個單元。流速儀計算得到的垂線平均流速與ADP實測的垂線平均流速之間的誤差，一般在5%以下。

用ADP所測斷面平均流速與用傳統(tǒng)轉子流速儀測驗計算得到的斷面平均流速之間建立的回歸方程，其回歸系數(shù)R2達到0.959 7，是一個非常好的關系。其相關性見圖1。

3）斷面流量比測方法與精度分析。采用傳統(tǒng)的船載機械式流速儀法和ADP進行比測。傳統(tǒng)的方法是在固定斷面施測13條測速垂線流速以及起點距，通過計算流速、面積來求得流量。ADP采用走航式在同一斷面施測流量，水邊距離用尼康LASER-800電子測距儀測量，測量精度為2 m。岸邊系數(shù)α選用0.70，用RiverSurveyor4.31測流軟件操作ADP并計算流量。ADP流量由中部平均流量、岸邊估算流量、上下盲區(qū)估算流量組合而成。

下面取用洛古河站部分流量測驗成果（見表2）進行比較分析。

表2 洛古河站斷面流量比測精度分析

由表2可以看出：兩站的流量比測誤差均小于±5%，符合一類站精度要求。其中，洛古河站的14次對比實驗流量的分析，其系統(tǒng)誤差和隨機不確定度分別為：-1.96%和5.92%。兩種測驗方法所得水位～流量關系線，見圖2。

從圖2可以看出：兩種測驗方法所測流量相對誤差不大，點子分布均勻，單一線關系良好，只是在高水位94.82 m處點子的系統(tǒng)偏差稍大。傳統(tǒng)的測驗只取固定斷面的13條代表垂線的流速和水深來進行流量計算，而ADP則通過測量所經過的整個水體各個不同流層的流速以及水深來計算流量，并且是兩個測回的數(shù)據(jù)平均值。因此，ADP所測的水體范圍廣、代表性強、精度更高。ADP與流速儀二者之間存在著很好的相關性，從而為ADP代替流速儀測驗、保證資料的延續(xù)性掃清了障礙。

4）岸邊流速系數(shù)變化與選用。因為每次測驗的岸邊起始點都設在ADP最大限度的測深范圍內，此時距岸邊基本在20 m以內，岸邊區(qū)的形狀基本上為水深均勻變淺的斜坡岸邊。根據(jù)岸邊系數(shù)和斷面形狀對照表見表3，結合常規(guī)流速儀測驗的經驗，岸邊系數(shù)采用0.7。

表3 岸邊流速系數(shù)α值

6 結論

ADP作為一種先進的流量測量儀器，它的卓越性能已在水文系統(tǒng)得到了廣泛的認可。通過大量比測分析試驗，得出如下結論：

1）ADP與轉子流速儀的單次流量測驗相對誤差均小于5%，符合一類精度水文站的測驗要求。而且兩種測驗資料的相關延續(xù)性較好。走航式ADP作為一種先進的測流儀器可以滿足暢流期測驗的各種需求。

2）走航式ADP流量測驗一個測回的時間大約需要15～30 min，3個測驗人員即可完成，而傳統(tǒng)方式的流量測驗需要2～3 h，測驗人員需要6人以上方可完成。傳統(tǒng)測驗需使用220馬力的大船，而ADP只需使用30馬力測船。因此使用ADP測驗大大節(jié)省時間、人力、物力和財力。

3）ADP可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實測數(shù)據(jù)的技術人員可以在室內工作，不必擔心天氣等其它因素的影響。所有的測量數(shù)據(jù)全部記錄并保存在計算機中，清晰而直觀。測驗一結束，立即可以獲得整個測驗過程的所有數(shù)據(jù)：流量、斷面面積、斷面平均流速和水道大斷面等。在測量的過程中，也可以監(jiān)視和分析整個測流過程的合理性，可隨時觀察現(xiàn)場測驗的情況，大大提高了測驗的效率和精度。

4）對于整個黑龍江流域，從額爾古納河到黑龍江以及烏蘇里江，其水深一般在3～20 m，斷面含沙量不大于500 g/m3，這種水流特性非常適宜使用ADP，根據(jù)不同的水深可以選擇合適頻率的ADP來滿足測驗要求。