走航式聲學多普勒流速儀在黑龍江干流流量測驗中的應用

滿春香，劉陽明，柳 恒

（松遼委水文局黑龍江上游水文局，黑龍江 黑河 164300）

隨著水文測驗技術的發展，聲學多普勒技術在流量測驗的應用中日趨成熟。松遼委水文局黑龍江水文局引進了聲學多普勒流速儀（以下簡稱ADP），分別在黑龍江干流的洛古河、上馬廠、卡倫山水文站進行暢流期流量比測分析試驗。通過走航式ADP測流技術與船載轉子式流速儀測量技術的對比分析，驗證ADP在黑龍江干流上進行流量測驗的精度和推廣應用價值。

1 試驗內容與資料收集方法

使用ADP和轉子式流速儀同時對固定斷面進行流量測驗，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缺點及解決實際應用中的疑難問題。

轉子式流速儀法是根據斷面形狀及流速沿河寬的分布特性，合理用13條垂線代表整個斷面，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，ADP利用3個探頭發射的波束施測剖面流速及水深，利用軟件自動合成流量。

2 測船性質與儀器設備

測船采用鋁質3.0 m×1.5 m的沖鋒舟，行駛便捷。儀器采用美國SonTek/YSI公司生產的1.5 MHZ的mini-ADP一套，包括換能器、處理器、電纜線、無線數據傳輸系統和計算機。該頻率的ADP測量范圍為：測速范圍0～10 m/s、盲區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。頻率與水深成反比，頻率越高，測到的水深越小。

在現場測驗前，先做了底沙運動檢測，確定測驗斷面較為穩定，故不需外接GPS。根據現場測驗情況，在沖鋒舟船弦側特制一個固定支架，用來安裝固定ADP的換能器，換能器與船弦的距離為0.50 m。ADP處理器放在船內并通過數據線與換能器相連，整個安裝體系牢固穩定，保證無鐵磁質影響。換能器的入水深度，根據測船的航行速度、水流速度、水面波浪的大小、吃水深度等因素而綜合考慮，使換能器在整個測驗過程中始終不會露出水面。

3 走航式ADP流量原理

ADP流量由中部平均流量、岸邊估算流量、上下盲區估算流量組合而成。每一微斷面內中部平均流速由ADP直接測出，其值為所有有效單元所測流速之平均。x方向分量由下式算出（y方向分量類似）：

式中：uxj——單元j中所測的x方向流速分量。

則對應于ADP走航測量起點和終點之間斷面的中部流量：

式中：fj——單元流量；Dc——單元長度；△t——單元時間；Vby——y方向流速分量；Vbx——x方向流速分量。

對于岸邊非實測區域，可以利用經驗方法估算流速和流量。岸邊區域平均流速Va的計算公式為：

式中：Vm——起點微斷面(或終點微斷面)內的深度平均流速；α——岸邊流速系數。

岸邊流量QNB由下式估算：

式中：Aa——岸邊區域面積。

上下盲區流量的估算采用冪函數流速剖面方法：明渠均勻流流速在垂向上的分布可以由以下公式來表示：

式中：u——離河底高度z處的流速；u*——河底摩阻流速；z0——河底粗糙高度；b——經驗常數（取 b=1/6）。

則對應于ADP走航測量起點和終點之間斷面的表層流量由下式算出：

類似地，底層流量由下式算出：

4 比測數據分析

4.1 水深和平均流速的定點測量比測

同時使用ADP與轉子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，并同時采集數據。經過對采集的177個樣本進行分析，發現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0.1 m，這個差值可忽略不計。

經對177個樣本比較，發現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0.01 m/s，相對系統誤差為-2.8%，其誤差在ADP與轉子式流速儀的測量精度范圍內。

4.2 不同水位級垂線流速比測與分析

轉子式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流速的平均值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。流速儀法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%以內。

用ADP所測斷面平均流速與轉子式流速儀測驗計算得到的斷面平均流速之間建立回歸方程，其回歸系數R2為0.959 7，是一個相關性較為穩定的關系。

4.3 不同水位級斷面流量比測與分析

采用傳統的船載轉子式流速儀法和ADP進行比測，傳統的方法是在固定斷面實測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，水邊距離用電子測距儀測量，測量精度為0.5 m。岸邊系數α選用0.70，用RiverSurveyor4.31測流軟件操作ADP并計算流量。洛古河水文站部分流量測驗比測數據分析，見表1。

由表1可知：比測流量誤差均小于±5%，其系統誤差為-1.96%，隨機不確定度為5.92%。兩種測驗方法所得水位～流量關系線圖見圖1。

表1 洛古河水文站流量比測數值分析表

圖1 水位流量關系線對照圖

從圖1可知，兩種測驗方法所測流量相對誤差較小，流量測點分布均勻，單一線關系良好，只是在高水位94.82 m處測點的系統偏差稍大。傳統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據平均值。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，ADP代替流速儀法進行流量測驗可以保證資料的延續性。

4.4 低水位流量測驗的分析

2007年8月19日洛古河站水位為91.66 m，為暢流期低水位。洛古河站斷面河槽呈W形，斷面中間部分測得最小水深為0.93 m，此處ADP出現底跟蹤失效，無法測到垂線流速。究其原因水深已接近ADP所能適用的最小水深0.90 m，加之淺灘邊緣水流較急，測船體積小很難使船速小于流速，導致底跟蹤失效。對于出現特低水的情況，可以購置頻率更高的ADP，使最小測量深度范圍變大，來滿足測驗需要。

5 走航式ADP相關系數

5.1 岸邊流速系數變化與選用

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，此時距岸邊一般在20 m以內，岸邊區的形狀基本上為水深均勻變淺的斜坡岸邊。根據岸邊系數和斷面形狀，結合轉子式流速儀測驗的經驗，岸邊系數采用0.7。

5.2 垂線流速分布與插補模型（冪指數或常數）

垂線流速表層和底層分布依據河底情況和以前測驗流速分布情況，確定垂線流速分布插補采用公式（5），其中經驗常數b取1/6。

6 結語

1）ADP與轉子式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項需求。

2）走航式ADP流量測驗一個測回的時間大約需要15～20 min，3個測驗人員即可完成；而轉子式流速儀法的流量測驗需要2～3 h，測驗人員需要6人以上方可完成。使用走航式ADP測驗大大節省時間、人力、物力和財力。

3）走航式ADP可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實測數據的技術人員可以在室內完成，不必受天氣等其它因素的影響，同時可以獲得整個測驗過程的所有數據。在測量的過程中，可以監視和分析整個測流過程的合理性，大大提高了測驗的效率和精度。

4）對于整個黑龍江干流流域，其水深一般在3～20 m之間，斷面含沙量不大于500 g/m3（一般認為ADP適用于含沙量不大于10 kg/m3的河流測驗）。這種水流特性非常適宜使用ADP，根據不同的水深可以選擇合適頻率的ADP來滿足測驗要求，應用走航式ADP進行流量測驗，省時省力。