淺談在線ADCP在荊山水文站水文測驗中的比測分析及應用

廣東省水文局陽江水文測報中心 529700

摘要：在線ADCP水文測驗是一種目前測量河流流量較為先進的技術。本文通過在線ADCP在荊山水文站水文測驗中的應用實例，分析其在漠陽江流域潭水河控制站中的比測數據，介紹了在線ADCP儀定點測流的成功應用，并對出現的一些技術處理問題進行探討，以期在線ADCP水文測驗技術能更好更廣泛地推廣應用。

關鍵詞：在線ADCP；比測分析；荊山

1 荊山水文站基本情況

荊山水文站建于1958年6月，位于廣東省漠陽江一級支流潭水河的中下游，該站距離河口38km，集水面積950km2，為漠陽江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發利用以及水工程的建設管理，系統地收集水文資料。測驗項目有：水位、流量、降雨量、泥沙、蒸發等項目。建站以來，實測最高水位25.10m，出現日期為1973年08月13日，相應流量2390m3/s；調查最高水位26.10m，出現日期為1939年5月22日。

荊山水文站控制的河流是典型的山區河流，洪水過程暴漲暴退，洪水時漂浮物多，給流量測驗工作帶來很大的難度和危險性。為改善流量測驗的時效性，該站更新了半自動纜道流量測驗的常規測流法，2007年9月，引進了美國SonTek公司“淘金者—SL”（ArgonantSL）500kHz型側視式聲學多普勒流速剖面儀（以下簡稱在線ADCP）。

2 在線ADCP測流工作原理

在線ADCP是一種“聲學多普勒流速儀”，它配備有4個換能器，與儀器軸線成一定夾角。每個換能器既是發射器又是接收器。換能器發射的聲波能量集中于較窄的范圍內，稱為聲束。換能器發射某一固定頻率的聲波，然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波。這些聲脈沖碰到水體中懸浮的隨水體運動的微粒時，聲脈沖將被運動的微粒所散射，散射脈沖頻率將發生變化，該頻率和發射脈沖頻率之差即為多普勒頻差。多普勒頻差與光的波長成反比，與聲學系統的幾何參數及粒子運動速度成正比。當確定在線ADCP波長和幾何參數后，只要檢測出多普勒頻差，就可以確定運動的速度了。在線ADCP向水體發射聲脈沖，測出水體相對于在線ADCP的速度；在線ADCP同時還向河底發射底跟蹤聲脈沖，測出 在線ADCP相對于河底的運動速度，然后算出水流相對于河底的真實流速。

多普勒方程為：

式中：，kHz

，kHz

v—顆粒物沿聲束方向的移動速度，m/s

c—聲波在水中的傳播速度，m/s

在線ADCP測流的數學模型：Q實測 =

式中：n—垂直于路徑的法線方向單位矢量；

u（H，L）—某一垂線位置某一深度單元的流速矢量。

此外，在線ADCP探頭自身要求有一定的入水深度，再加上必要的聲波傳播時間，故在線ADCP有最小水深限制，水深太淺則不能使用。

3 比測目的和測量方法

本分析的目的是研究在線ADCP測量的指標流速和纜道測流的平均斷面流速的相關關系，獲得本站在線ADCP流量計算率定公式；分析兩種儀器數據，獲知在線ADCP測驗的穩定性和準確性，以判定本站能否采用在線ADCP替代傳統流速儀測流。

本次比測采用傳統流速儀與在線ADCP同步測量，然后篩選出對應時段的在線ADCP數據并求出在線ADCP指標流速，與纜道流速進行比較分析，確定兩者的相關關系。

4 測驗數據處理分析

4.1 資料的三性審查

本次分析采用2007年9月至2009年9月的資料成果，共有與傳統流速儀實測相對應的實測流量資料67份。其中實測流量相應最高水位為22.59m，最低水位為16.66m，占歷史水位變幅的69%，具有較好的代表性。

4.2 收集方法及情況

經篩查突變數據后，取61組數據參與分析。

4.3 水位比測分析

為了驗證在線ADCP系統高程設置是否正確，用基本水尺每天8時水位與在線ADCP相應時刻數據進行比較。經過分析得出，兩者差值基本在0～2cm內，平均相對誤差為0。因此，系統高程設置正確，不存在系統偏差。

4.4 總體及各水位級數據的分析率定

4.4.1 總體數據的分析率定

在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖見表2，通過對數據組進行線性回歸分析，結果如下：回歸公式：y = 0.7954x + 0.0336

復相關系數：R2 = 0.9946

隨機不確定度：18%

系統誤差：0.85%

率定后，隨機不確定度不符合規范要求（二類精度水文站的系統誤差≤1%，隨機不確定度≤10%）。

表2 在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖

4.4.2 低水位的比測

在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖見表3，通過對數據組進行線性回歸分析，結果如下：回歸公式：y = 0.5651x + 0.0589

復相關系數：R2 = 0.8286

隨機不確定度：25%

系統誤差：0.15%

率定后，隨機不確定度不符合規范要求。

表3 低水位的在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖

4.4.3 中水位的比測

在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖見表4，通過對數據組進行線性回歸分析，結果如下：回歸公式：y = 0.7415x + 0.0654

復相關系數：R2 = 0.9662

隨機不確定度：19.8%

系統誤差：0.79%

率定后，系統誤差為0.79%≤± 1%，但標準差Se=9.9%，隨機誤差為19.8%> 10%，沒有達到規范規定的精度要求。

表4 中水位的在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖

4.4.4 高水位的比測

在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖見表5，通過對數據組進行線性回歸分析，結果如下：回歸公式：y = 0.8897x – 0.1246

復相關系數：R2 = 0.9925

隨機不確定度：7.2%

系統誤差：0.15%

率定后，隨機不確定度和系統誤差均符合規范要求（二類精度水文站的系統誤差≤1，隨機不確定度≤10%）。然后對關系曲線進行三線檢驗，全部通過，認為定線正確。

表5 高水位的在線ADCP流速～斷面平均流速關系曲線圖

4.5 率定成果

根據流量Q=V查·A，得出計算流量，跟流速儀斷面平均流量作對比，得出各水位級的率定合格率見表6。

表6 各水位級的合格率表

水位級總份數合格份數合格率合格標準

低水位302066.7%相對誤差≤±12%

中水位13646.2%相對誤差≤±8%

高水位1818100%相對誤差≤±6%

總體614472.1%

5 誤差原因分析

5.1 相關關系或模型造成的誤差分析

總的來說，造成在線ADCP測量產生誤差的原因有以下三個方面：第一，在線ADCP是同時測量整個斷面的流速，而流速儀是單點測量。第二，當受到漂浮物影響，在線ADCP實測流速會出現偏小。第三，由于在線ADCP測驗斷面并不是處于順直河道上，受到一定的變動回水影響，當流速較小時，變動回水影響尤為顯著。

5.2 斷面沖淤變化引起的誤差分析

通過分析，本站的纜道測流斷面和在線ADCP測流斷面基本保持穩定，故斷面沖淤變化對流量測驗的影響較小，所引起的誤差可不作考慮。但計算流量的所用的斷面面積為相應水位下的纜道測流面積，因此每年汛前汛后應至少對該斷面測量一次，以減少斷面沖淤變化引起的誤差。

從上述分析來看，在高水位時，在線ADCP指標流速與流速儀實測流速具有顯著相關性。因此可以使用回歸公式把實時的在線ADCP指標流速轉換成斷面平均流速，以在線ADCP自動測驗的方式代替多垂線測驗。在中低水位下，由于精度不符合規范要求，暫不投入應用。中水位由于數據量不足，建議繼續比測。低水位時考慮到受變動回水影響顯著，繼續使用傳統流速儀測流。

6 結 語

在線ADCP在荊山站的應用雖然不能完全取代纜道常規測流，但它在高水位下的成功應用，較好地解決了洪水暴漲暴退和漂浮物多給流量測驗工作帶來很大的難度和危險的問題，大大提高了測驗工作的安全性和快捷性，為河道的流速流量測驗的在線監測提供依據，為潭水河流域的水文預報和測驗工作提供更為有效的技術手段，對加快實現水文現代化建設有著重要的意義。

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[3] 趙天昌，蘇軼.在線ADCP測流與傳統測流的比較及應用[J].治淮.2008（06）.

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行宣傳教育，充分認識水利工程建設對環境與生態可能產生的影響，牢固樹立環保理念，提高生態與環境保護的意識，養成自覺維護生態環境的良好習慣，在工程的規劃、設計、施工、運行及管理的各個環節中都要注意保護生態環境。同時，采取行政、科技、經濟、法律等措施，建立施工環境保護管理體系，明確業主、監理和施工單位的職責任務，制訂工程施工期環境保護計劃，落實環境影響評價和環境保護設計中確定的減免措施，不隨意捕獵砍伐水生動物和野生植物，注意保護動植物資源，盡量減輕施工對原有生態環境的破壞，使水利工程建設與資源環境的良性循環和社會、經濟的可持續發展相協調，在造福人類的同時，保護好生態環境。

結束語

面對未來水利事業新的廣闊的發展前景，我們要不斷創新理念，探索新思路，努力使得水利工程發展與人類社會和諧發展相適應，使水利工程的生態環境得到根本性的改觀。以科學的發展觀和現代管理手段，構建“和諧社會”，實現中國夢。

參考文獻：

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[3]黃曉輝，基于生態和諧理念的水利工程建設管理研究[C]，2009，2

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的質量管理制度，在質量獎懲制度上堅持重獎重罰、獎罰分明，對偽造施工記錄資料的必須嚴懲，造成重大質量事故者要繩之以法。

（3）實行工程建設監理制，要把質量監理放在首位。鑒于目前工程施工質量間題較多，監理單位要加大對工程建設質量的監理力度，對工程的關鍵項目及重點部位要實行“旁站監理”，并加強抽檢，發現質量不合格的必須返工，不留隱患。

（4）工程招標選擇施工隊伍時，應確定合理的標價。當前，水利水電工程施工招標中，投標施工隊伍競爭激烈，因此投標單位相互壓低報價，以爭取中標。但中標后，又轉包其他單位承包施工，致使工程單價偏低，有的承包單位為減少虧損，就不顧工程質量偷工減料。應認真總結水利水電工程招標選擇施工隊伍過程中的經驗教訓，克服片面追求低報價中標的公平、公正全面綜合地優選施工隊伍，并確定合理的標價，避免因工程單價偏低而使施工單位虧損，杜絕施工隊伍以單價低為借口而忽視工程施工質量。

3、結束語

綜上所述，為了不斷增強水利工程的建設質量，豐富水利工程的功能，以及使其帶來更好的投資收益，我們應該分析目前出現問題，在以后的水利工程工作中，提高技術和加強化管理。

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