走航式ADCP在引黃濟津潘莊線路應急輸水測驗中的運用

吳曉楷，張 淼

（海河水利委員會漳衛南運河管理局，山東德州 253009）

1 引黃濟津潘莊線路及水文站基本情況

2010年初，為了滿足天津市供水需要，國家決定新辟引黃濟津潘莊應急輸水線路，線路主要利用原有河流、渠道，從山東省德州市境內的黃河潘莊渠首閘引水，經潘莊總干渠入馬頰河，再經沙楊河、頭屯干渠、六五河，穿漳衛新河倒虹吸后入南運河，至天津市九宣閘。

為加強水量監測和輸水管理、保證天津市供水安全，引黃濟津新輸水線路于穿漳衛新河倒虹吸后新開挖的輸水明渠上新建四女寺引黃水文站，于南運河山東、河北兩省交界處新建第三店水文站，承擔引黃濟津應急調水期間的水文監測任務，監測斷面分別設立于漳衛新河倒虹吸出口明渠、南運河山東和河北兩省交界處的第三店。依據《水文基礎設施建設及技術裝備標準》，為提高水文測報能力，滿足水文信息采集、處理與傳輸的安全性、可靠性和時效性的要求，在輸水測驗中引進了走航式ADCP測流技術。走航式聲學多普勒流速剖面儀 （英文簡稱ADCP）測量河流、水渠流量性能十分穩定且測流速度快，裝備有ADCP的三體船從河流某斷面一側航行至另一側，能在幾分鐘內測出流量，比傳統流速儀法效率提高數倍，是一種快速、有效的測流儀器。

2 ADCP的測流原理

ADCP流量測驗原理與傳統流速儀法一樣，是將整個測流斷面劃分為許多子斷面 （即布設多條垂線），在每個子斷面中垂線處測量水深和多點的流速從而得到垂線（即子斷面）平均流速。ADCP測流是由專用設備向水中發射固定頻率的聲波短脈沖，這些脈沖碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）發生背散射，ADCP接受回波信號并處理得到流速。

2.1 不同坐標下的流速及其轉換

ADCP首先測量的是沿聲束方向的流速分量。根據聲束角，將聲束坐標下的流速分量轉換成ADCP坐標（X-Y-Z）下的流速分量。利用羅盤提供的方向、傾斜計提供的縱搖和橫搖數據，將ADCP坐標（X-Y-Z）下的流速分量轉換成地球坐標下的流速分量——東向、北向和垂向分量。

2.2 深度單元和流速剖面

水流在垂向上被分割成若干層，叫做深度單元（Depth Cell）。1臺ADCP相當于許多臺單點流速儀。

2.3 水跟蹤和底跟蹤

由水中顆粒的回波測量水流相對于ADCP的運動，該功能叫做水跟蹤。由河底的回波測量河底相對于ADCP的運動，該功能叫做底跟蹤。如果河底無推移質，底跟蹤測得的速度即為測船的速度。ADCP在走航測量中測量相對流速、船速、水深和船的航行軌跡。

2.4 斷面流量

應用走航式ADCP進行斷面流量橫渡施測，以測流斷面的左岸為測船的起始點、右岸為結束點，測船運行開始、結束記錄距離左右水邊的距離。測量時，測船從斷面下游駛入斷面，進入起點開始，測船運行中盡可能沿著測流斷面勻速運行，且運行速度不得大于水流流速，直至終點。測船從左岸開始到右岸測量結束為半個測回，再返回起點為一個測回。流量相對穩定時，斷面實測流量值采取ADCP測船來回2個往返，2個測回的斷面流量平均值。實測的斷面流量包括測出的部分流量、岸邊流量及上下盲區流量。

2.4.1 部分流量

其計算公式為：

式中：Q為部分流量；S為河流斷面面積；u為河流斷面微元點處流速矢量；ξ為作業船航跡上的單位法線矢量；ds為河流斷面上微元面積。

2.4.2 岸邊流量

其計算公式為：

式中：QNB為岸邊流量；α為岸邊流速系數；Aa為岸邊區域面積；Vm為岸邊區域平均流速。

2.4.3 上層盲區和底層盲區平均流速和流量

上、下盲區流量應選擇正確的外推方法，可用冪函數流速剖面或常數流速剖面的假定來推算表層或底層平均流速及流量。

采用冪函數流速剖面方法時，應按以下要求執行：

（1）明渠均勻流流速在垂向上的分布流速計算公式為：

式中：u為離河底高度z處的流速；u*為河底剪切流速；z為離河底高度；z0為河底粗糙高度；b為經驗常數（通常取b=1/6）。

（2）對應于聲學多普勒流速儀走航測量起點和終點之間斷面的表層(上層盲區)流量計算公式為：

（3）對應于聲學多普勒流速儀走航測量起點和終點之間斷面的底層(盲區)流量計算公式為：

當逆流風、溫度梯度、含鹽量梯度造成剪切流速剖面時，可采用常數方法進行計算：

（1）常數流速剖面方法假定表層流速（或f值）為常數，其值等于第一個深度單元的流速（或f值），則微斷面內表層平均流速x方向分量計算公式（y方向分量類似）為：

（2)底層流速（或f值）也假定為常數，其值等于最后一個有效單元的流速（或f值），則微斷面內底層平均流速x方向分量計算公式（y方向分量類似）為：

（3）對應于聲學多普勒流速儀走航測量起點和終點之間斷面的表層流量計算公式為：

（4）底層流量計算公式為：

2.4.4 走航式ADCP測流成果總流量

走航式ADCP測流成果總流量為部分流量、左岸邊流量、右岸邊流量、上層盲區流量、底層盲區流量之和。

3 走航式ADCP在引黃濟津潘莊線路應急輸水測驗中的應用

引黃濟津潘莊線路倒虹吸出口明渠、第三店水文監測斷面自2010年10月24日通水后，均采用走航式ADCP進行水量監測。

3.1 ADCP品牌型號及技術指標

ADCP品牌型號及技術指標，見表1。

表1 走航式ADCP的品牌、型號、技術指標

“駿馬”系列“瑞江”牌1 200KHz ADCP包括兩種工作模式：標準模式和淺水高精度模式。標準模式流速測量范圍大，剖面深度大，應用于大多數情況；淺水高精度模式流速測量范圍小，剖面深度小，但流速測量精度非常高，其流速測量短期精度可達1 mm/s的量級。因此，當流速很低、僅為幾厘米每秒的情況下，采用淺水高精度模式效果特別好。此外，還采用寬帶、零盲區和四波束換能器技術，提高了測流精度。

（1）寬帶 （Broadband）：這是ADCP的聲信號發射和處理的一種方法。對于每一個流速測量，ADCP發射兩組或多組脈沖波序列，每個脈沖波序列由許多子脈沖（稱為編碼單元）組成。ADCP測量回波序列的相關系數及相位差，鏟除粗差，精確計算流速。其優點是流速測量標準誤差小，垂向空間分辨率高（相當于垂線測點多），時間分辨率高（相當于測速垂線多）。

（2）零盲區：提高了測流精度。

（3）四波束換能器：有效地消除船搖晃的影響，提高測量的可靠性。如果有一個波束被阻擋或損壞，其他三個波束仍然可提供有效數據。

3.2 參數設定

應用走航式ADCP進行河道流量實測，必須根據斷面情況進行參數設定。

根據引黃濟津輸水線路倒虹吸出口、第三店斷面情況，參數設定為：換能器吃水：0.07；磁偏角：0；波速角：20°；冪函數：0.166 7；左岸坡度系數：0.35；右岸坡度系數：0.35；岸邊平均點數：10；最大水深：6 m；最大流速：2 m/s；最大船速：2 m/s；河床類型：泥；測流模式：標準工作模式；上層估算方法：power；下層估算方法：power；最低層數不能少于2層。

4 結論和建議

引黃濟津潘莊應急輸水線路首次輸水于2011年4月11日結束，歷時170 d，倒虹吸出口測驗斷面流量測驗278次，累計過水量7.13億m3，天津九宣閘收水4.2億m3。山東、河北兩省交界處第三店測驗斷面流量測驗265次，累計過水量6.69億m3。測驗結果經河北、山東兩省測驗代表比測，精度得到了一致認可。

引黃濟津潘莊應急輸水線路測流應用實踐表明，與傳統測流方法相比，走航式ADCP測流提高了流速測量精度，減輕了測流勞動強度，并極大提高了測流效率，可以得到更廣泛的運用。