ADCP剖面流速儀的比測(cè)應(yīng)用分析

薛晟 曹華東 辛紅俠 付光鋒 蒙雅雯 唐明

摘要：ADCP剖面流速儀是由美國(guó)引進(jìn)的一種河道斷面流量測(cè)量?jī)x器，具有重量輕，易于操作、工作穩(wěn)定、測(cè)驗(yàn)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。2004年，上級(jí)為黃委小浪底水文站配發(fā)該儀器一臺(tái)，該儀器與傳統(tǒng)的流量測(cè)量?jī)x器流速儀的比測(cè)分析成為正式投入應(yīng)用的先決條件。

關(guān)鍵詞：ADCP，流速儀，比測(cè)分析

中圖分類號(hào)： S932.9+14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

黃委會(huì)小浪底水文站位于河南省濟(jì)源市坡頭鄉(xiāng)泰山村，建站于1955年4月，流域集水面積694221km2，距黃河口距離892km，是小浪底水庫(kù)的出庫(kù)控制站，屬國(guó)家重要水文站，擔(dān)負(fù)著長(zhǎng)期收集水資源資料和提供雨水情信息的重要任務(wù)。

2004年，上級(jí)給小浪底水文站配置ADCP剖面流速儀一臺(tái)，經(jīng)過多年比測(cè)實(shí)驗(yàn)和分析，目前，在2000m3/s以下流量級(jí)，該儀器測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度符合有關(guān)規(guī)范要求，已經(jīng)作為正式資料應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)該儀器應(yīng)用幾年以來流量在2000m3/s以上的實(shí)測(cè)資料和流速儀實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，確定在2000m3/s以上流量情況下，該儀器測(cè)驗(yàn)資料是否符合有關(guān)規(guī)范精度要求。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與資料收集方法

1、實(shí)驗(yàn)分析內(nèi)容

現(xiàn)選取2004年至2008年共四年流量在2000m3/s以上的ADCP剖面流速儀與流速儀實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)該儀器與流速儀法精度誤差情況，以確定該儀器在2000m3/s以上時(shí)在該站是否適用。

2、資料收集方法

（1）流速儀法：主要采用黃測(cè)B201吊船，400kg鉛魚懸掛ls25—3型流速儀進(jìn)行施測(cè)。測(cè)驗(yàn)方法采用常測(cè)法，100秒歷時(shí)，人工記數(shù)、手工操作。

（2）ADCP法：將ADCP懸掛于沖鋒舟或黃測(cè)B201吊船一側(cè)1米以外，由船帶ADCP沿?cái)嗝鏅M向移動(dòng)，測(cè)得斷面流量等數(shù)據(jù)。施測(cè)斷面位置一般設(shè)在流量測(cè)驗(yàn)斷面下游的10米到60米范圍的河段內(nèi)，每次施測(cè)兩個(gè)測(cè)回，要求每半測(cè)回流量值與平均值的偏差不大于5%，計(jì)算其平均值作為ADCP同步所施測(cè)的流量。

二：比測(cè)分析使用的儀器設(shè)備情況

1、流速儀法

吊船過河纜1992年7月建成投產(chǎn)，兩岸均為自立式鋼塔， 左岸鋼塔高3.5m，右岸鋼塔高30m，主跨788m，主纜為上下平行雙纜結(jié)構(gòu)，直徑31 mm ，最大荷載時(shí)最低點(diǎn)高度157.56m，設(shè)計(jì)最高應(yīng)用水位156.00m。

測(cè)船：“黃測(cè)B201”鋼質(zhì)吊船一艘，1996年8月投產(chǎn)，長(zhǎng)22.99m，寬5.00m，吃水深0.50m，裝有400kg鉛魚和鉛魚懸吊設(shè)備，測(cè)洪能力5000m3/s；另有5.95m玻璃鋼船一艘，2001年11月投產(chǎn)，配有操作機(jī)一臺(tái)，用于右岸灘區(qū)測(cè)驗(yàn)。

其他測(cè)驗(yàn)器具：HW-1000型自記水位計(jì)一套，最高測(cè)至143.00m，經(jīng)緯儀一架，水準(zhǔn)儀二架， 機(jī)械天平一臺(tái)(1/100感量)， 電子天平一臺(tái)， LS25—3型流速儀7架，水準(zhǔn)尺3付，采樣器8個(gè)，測(cè)深桿8根，秒表4只，計(jì)算機(jī)兩臺(tái)。

2、ADCP剖面流速儀

2004年5 月配發(fā)的美國(guó)駿馬系列瑞江ADCP剖面流速儀（WHRZ1200-1型1200KHz ）1臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)期間ADCP參數(shù)設(shè)置表

三：比測(cè)實(shí)驗(yàn)資料情況

1、對(duì)比試驗(yàn)時(shí)間段

小浪底水文站自2004年5月配備ADCP以來，每年都進(jìn)行比測(cè)實(shí)驗(yàn)，但由于平時(shí)流量較小，只有在調(diào)水調(diào)沙期間流量才會(huì)大于2000m3/s，在2004,2006,2007,2008四年中，流量在2000m3/s以上測(cè)次共30次，各年比測(cè)次數(shù)如下表1：

表1比測(cè)年份及2000m3/s以上比測(cè)次數(shù)

2、比測(cè)實(shí)驗(yàn)資料

表2為各年度流量在2000m3/s以上的比測(cè)數(shù)據(jù)資料，為與2000m3/s以下流量接圖，摘錄部分2000m3/s以下點(diǎn)據(jù)。

表2各年度比測(cè)資料情況

四、比測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

（一）：兩種方法水位～流量關(guān)系曲線對(duì)比情況

1、綜述：

因?yàn)槊看螠y(cè)驗(yàn)都有各種因素所造成的一定的誤差，通過定線可以基本消除這部分誤差。按照臨時(shí)曲線法，對(duì)流速儀和ADCP法實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)分別定線，在總水位變幅內(nèi)，每10公分一個(gè)數(shù)據(jù)，分別在線上查讀ADCP及流速儀流量數(shù)據(jù)，對(duì)兩種不同方法所得流量結(jié)果進(jìn)行誤差分析，從而判斷兩種測(cè)驗(yàn)方法數(shù)據(jù)結(jié)果的差異性。

2、水位~流量關(guān)系曲線如圖1：

3、誤差分析

表3各水位級(jí)兩關(guān)系線相對(duì)誤差

從表3可以看出，誤差有如下特點(diǎn)：

（1）在2000m3/s～4220 m3/s流量段，ADCP測(cè)得結(jié)果比流速儀法系統(tǒng)偏大，相對(duì)誤差數(shù)值在+1.5%～+10.2之間。

（2）相對(duì)誤差數(shù)值隨著水位的增高和流量的增大而增大。

4、誤差成因分析

所有誤差均為正值，說明ADCP測(cè)法數(shù)據(jù)普遍大于流速儀測(cè)法數(shù)據(jù)，原因可能為：

（1）、流速儀靠轉(zhuǎn)子入水沖擊轉(zhuǎn)動(dòng)來測(cè)速，而ADCP為非接觸式，所以流速儀施測(cè)流量時(shí)更易受到水草等漂浮物的干擾，而且還易受到流速儀定位、流向偏角、人工計(jì)時(shí)誤差等的影響，而在調(diào)水調(diào)沙期間，河水中時(shí)有水草，會(huì)對(duì)流速儀測(cè)速有一定的影響。

（2）、另一方面可以認(rèn)為ADCP、流速儀是完全兩種不同的兩種測(cè)驗(yàn)方法，這兩種方法確實(shí)存在測(cè)驗(yàn)結(jié)果上的差異，特別是隨著水位的升高和流量的增大，這兩種測(cè)驗(yàn)結(jié)果差值進(jìn)一步增大。

鑒于目前流速儀測(cè)法數(shù)據(jù)每年都作為正式資料刊印，可以考慮將ADCP結(jié)果經(jīng)過改正換算得到與流速儀法結(jié)果一致的數(shù)據(jù)。

5、兩種方法數(shù)據(jù)結(jié)果存在相關(guān)關(guān)系

（1）建立水位與相對(duì)誤差關(guān)系，經(jīng)過點(diǎn)繪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者是直線關(guān)系。（如下圖2）

圖2:

（2）用該直線概化公式y(tǒng)=5.4126x-731.56（Y為相對(duì)誤差，X為水位），可計(jì)算求得直線概化相對(duì)誤差，對(duì)原有相對(duì)誤差相減得到改正后誤差。

表4ADCP法與流速儀法誤差修正

小結(jié)：由表4可以看出，ADCP法與流速儀法相對(duì)誤差與水位關(guān)系密切，按相對(duì)誤差與水位關(guān)系公式改正后ADCP法與流速儀法相對(duì)誤差很小，在-0.41%～+0.30%之間，且無系統(tǒng)偏離。于是認(rèn)為ADCP測(cè)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)QA可以通過公式換算為接近流速儀法的結(jié)果QA＇,以作測(cè)驗(yàn)結(jié)果。

同樣，由于ADCP法與流速儀法相比，所有實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)全部系統(tǒng)偏大，且偏大較多，無法直接應(yīng)用和進(jìn)行相對(duì)誤差以及隨機(jī)不確定度計(jì)算，故對(duì)ADCP法實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)按照ADCP法與流速儀法的關(guān)系進(jìn)行改正后再作計(jì)算。

（二）ADCP實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)相對(duì)誤差及隨機(jī)不確定度分析

1:ADCP實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)的修正

改正公式的推導(dǎo)分析

表5 各水位級(jí)QA偏大數(shù)值占自身百分?jǐn)?shù)

建立水位與偏大百分?jǐn)?shù)關(guān)系線，經(jīng)點(diǎn)繪，亦為直線。

圖3:

由該圖根據(jù)水位與相對(duì)誤差關(guān)系，可得將QA修正為QA＇的公式：

QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]

式中，X為水位，QA為ADCP實(shí)測(cè)流量，QA＇為公式修正后流量。

2：誤差分析

根據(jù)公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]對(duì)ADCP實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)進(jìn)行改正，計(jì)算其與同水位流速儀法線查流量的相對(duì)誤差，以及隨機(jī)不確定度。

表6 實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)修正后與流速儀法相對(duì)誤差情況

由表6可知，30個(gè)數(shù)據(jù)中，相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)的29個(gè)，其中負(fù)值13個(gè)，正值17個(gè)，相對(duì)誤差均值+0.1%。

根據(jù)公式X Q＇=2{[∑（（QA-QLC）/QLC）2]/(N-2)}1/2來計(jì)算隨機(jī)不確定度，式中X Q＇為置信水平為95%的隨機(jī)不確定度，QA表示ADCP實(shí)測(cè)流量（m3/s）；QLC表示與實(shí)測(cè)流量QA對(duì)應(yīng)的相應(yīng)水位在關(guān)系線上查得的流量，計(jì)算可知：置信水平為95%的隨機(jī)不確定度XQ＇為5.82。

從以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)精度完全符合有關(guān)規(guī)范要求。

五：結(jié)論

1、在2000m3/s--4220 m3/s流量段，ADCP測(cè)得結(jié)果比流速儀法結(jié)果相比系統(tǒng)偏大，且幅度較多，超出有關(guān)規(guī)范應(yīng)用要求，其結(jié)果無法直接應(yīng)用。

2、ADCP法與流速儀法測(cè)得結(jié)果差異具有規(guī)律性，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]可將ADCP測(cè)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為與流速儀法一致的數(shù)據(jù)。

3、ADCP實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)通過以上公式轉(zhuǎn)化后與流速儀法相比無系統(tǒng)偏離，測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差、測(cè)點(diǎn)95%置信水平的隨機(jī)不確定度均符合有關(guān)規(guī)范精度要求。

4、所以在2000m3/s--4220 m3/s流量段，利用ADCP剖面流速儀測(cè)驗(yàn)時(shí)，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]對(duì)測(cè)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，即可滿足有關(guān)規(guī)范精度要求，作正式資料應(yīng)用。