ADCP與流速儀法流量對(duì)比分析

作者簡(jiǎn)介:王立國（1970-），男，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水文測(cè)驗(yàn)工作。

摘 要: 隨著時(shí)代的發(fā)展，水文儀器已進(jìn)入高科技時(shí)代，ADCP即多普勒流速剖面儀是目前測(cè)量江河流量的最高端產(chǎn)品，但任何儀器設(shè)備都不是萬能的，對(duì)于操作者來說將提出更高的要求。本文通過與流速儀法對(duì)比分析，總結(jié)出了利用兩種不同的方法所存在的差異，對(duì)于同行業(yè)使用ADCP測(cè)流具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:ADCP 流速儀 對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：P33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1情況簡(jiǎn)介

松花江（六）站是松花江控制站，也是國家重要水文站。該站位于吉林省德惠市松花江鎮(zhèn)，設(shè)立于1923年1月，最初站名為松花江鐵橋；1933年11月更改站名為松花江； 1966年6月經(jīng)過幾次遷移，最后為目前的松花江（六）水文站，集水面積51500km2。暢流期采用牽船索人工擺舵船上測(cè)流。

該站ADCP于2008年就已經(jīng)配置到位，近幾年來一直在進(jìn)行對(duì)比及操作訓(xùn)練，目前該站人員已經(jīng)能夠?qū)DCP進(jìn)行熟練操作和使用，對(duì)比數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算分析合理可靠，具備投入使用的條件。

ADCP是利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量。ADCP因其原理的優(yōu)越性，突破傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ)的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出流速。ADCP具有能直接測(cè)出斷面的流速剖面、具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)。目前被廣泛用于海洋、河口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測(cè)驗(yàn)等。

與傳統(tǒng)的人工船測(cè)，橋測(cè)，纜道測(cè)量，和涉水測(cè)量的基本原理一樣：在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線，在每條垂線處測(cè)量水深并測(cè)量多點(diǎn)的流速從而得到垂線平均流速，但ADCP所測(cè)的垂線可以很多，每條垂線上的測(cè)點(diǎn)也很多。

2對(duì)比分析的目的

通過對(duì)比ADCP測(cè)流與常規(guī)流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)，分析之間存在差異的原因，可以盡量減少由于操作不當(dāng)產(chǎn)生的誤差，以便ADCP在本站更好地投入應(yīng)用。同時(shí)還可以解決本站由于偏角測(cè)量引起的流量改正等一系列問題。

3對(duì)比時(shí)間及方式

本次對(duì)比共分為冰期和暢流期兩個(gè)階段，冰期采用定點(diǎn)測(cè)量的方式，暢流期采取走航的方式。2008年汛期ADCP在松花江站進(jìn)行了試運(yùn)行，當(dāng)年年末針對(duì)冰期松花江流量上下游不合理進(jìn)行了定點(diǎn)測(cè)量，同流速儀進(jìn)行了對(duì)比分析。2009年暢流期，又進(jìn)行了5次對(duì)比分析，測(cè)時(shí)水位分別為：90.06m、89.88m、89.36m、89.84m、89.40m。流速儀測(cè)流采用30公斤鉛魚懸吊流速儀，測(cè)深采用鉛魚懸索測(cè)深，起點(diǎn)距定位采用讀距索。

4儀器類型

松花江站配備的ADCP為美國RAI公司生產(chǎn)駿馬系列1200khz四波速聲學(xué)多普勒流速剖面儀，流速儀選用重慶產(chǎn)LS68型流速儀，儀器公式為V=0.6713n+0.0035。

5測(cè)流對(duì)比分析

5.1冰期對(duì)比分析結(jié)果

2009年1月14日和2月28日分別進(jìn)行了2次冰期ADCP對(duì)比分析，見表5.1，通過對(duì)比分析，ADCP四次測(cè)流結(jié)果算術(shù)平均為350m3/s，單次相對(duì)偏差均小于5%，測(cè)流結(jié)果符合要求。流速儀第1次在不加偏角改正的情況下2次流量平均為326 m3/s，進(jìn)行偏角改正后平均流量為261 m3/s，由以上兩組數(shù)據(jù)說明，冰期測(cè)流在不加偏角校正的情況下與ADCP測(cè)流結(jié)果偏差較小，相對(duì)偏差為4.17%，而通過偏角修正，相對(duì)偏差較大達(dá)到34.2%。由此可見，冰期測(cè)驗(yàn)使用流速儀在數(shù)據(jù)處理時(shí)不加偏角修正數(shù)據(jù)較為合理。

5.2暢流期對(duì)比分析結(jié)果

2009年暢流期間共計(jì)對(duì)比分析了5次，分別為全年流量測(cè)次的17次、19次、22次、33次和34次，ADCP對(duì)比分析10次。第一次流速儀測(cè)流結(jié)果為531m3/s（采用ADCP測(cè)流時(shí)水位上漲了0.02m，通過水位流量關(guān)系線查得90.08m時(shí)流量為540 m3/s），ADCP測(cè)流2次平均為562 m3/s，相對(duì)偏差為4.07%；第二次流速儀測(cè)流結(jié)果為465m3/s，ADCP測(cè)流2次平均為459 m3/s，相對(duì)偏差為3.76%；第三次流速儀測(cè)流結(jié)果為287m3/s，ADCP測(cè)流為290 m3/s（結(jié)果有一次偏差較大，未做2次平均），相對(duì)偏差為1.05%；第四次流速儀測(cè)流結(jié)果為443m3/s，ADCP測(cè)流2次平均為452 m3/s，相對(duì)偏差為1.92%；第五次流速儀測(cè)流結(jié)果為296m3/s，ADCP測(cè)流2次平均為306 m3/s，相對(duì)偏差為3.38%。

5.3暢流期對(duì)比相關(guān)性分析

通過對(duì)以上5次流量對(duì)比所得數(shù)據(jù)分析，ADCP與流速儀測(cè)流相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為1.0081。5次流量相對(duì)偏差均小于5%，平均偏差為2.84%。

5.4誤差分析

從對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果分析，采用ADCP測(cè)流較流速儀略有偏大，其主要原因是由于受到流速儀測(cè)流布設(shè)垂線的局限性，不可避免的會(huì)產(chǎn)生斷面切割現(xiàn)象，使得所測(cè)的面積偏小，而采用走航式ADCP測(cè)流則避免了面積所產(chǎn)生的誤差，因此ADCP測(cè)流較流速儀測(cè)流結(jié)果偏大是合理的。

6結(jié)論及建議

通過冰期及暢流期流量對(duì)比分析，冰期在不加偏角改正的情況下，流量相差較小，相對(duì)偏差為4.17%，暢流期平均相對(duì)偏差為2.84%，單次最大偏差均在5%以內(nèi)。因此通過對(duì)比分析，ADCP與流速儀測(cè)流偏差較小，二者之間誤差均小于10％，符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求。ADCP投入使用的條件已經(jīng)成熟。但在使用的過程中，應(yīng)該注意以下問題：

6.1應(yīng)熟練掌握ADCP參數(shù)配置以及換能器吃水深、岸邊距等變量設(shè)置，否則對(duì)流量影響較大。

6.2作業(yè)船航速是影響流量測(cè)量精度的重要因素，且可以由測(cè)量者控制。航速越低，流量測(cè)量誤差越小，一般航速可以控制在0.5～1.0 m/s之間。河面越寬、河流流速越大、系統(tǒng)頻率越高、系統(tǒng)發(fā)射速率越快，其流量的測(cè)量誤差就越小。

6.3除此之外，由于采用ADCP測(cè)流無法布設(shè)測(cè)沙垂線，因此建議懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)采用全斷面混合法。

6.4ADCP在冰期由于定點(diǎn)測(cè)流無法使用無線方式，操作較為不便，因此建議仍然使用流速儀測(cè)流，且計(jì)算時(shí)不加偏角改正。

6.5在測(cè)流前，進(jìn)行接線安裝時(shí)，一定要嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行連接，特別是蓄電池的正負(fù)極不要接錯(cuò)，否則將會(huì)燒毀有關(guān)電器元件。

6.6每次插ADCP上的插頭時(shí)，要抹一點(diǎn)硅脂，硅脂不能太多，也不能太少，插好ADCP上的插頭后，要鎖好鎖圈，而在拔下插頭前，一定要先松開鎖圈。

6.7拆裝時(shí)，一定要給換能器戴好保護(hù)帽，換能器也不能承受強(qiáng)烈震動(dòng)和敲擊，換能器表面要注意保護(hù)，不能劃傷。