走航式ADCP在川西北山區性河流的應用研究

摘要：通過對走行式ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀在雜谷腦水文站和威州（二）水文站比測分析來看，相關性很好，在川西北山區性河流使用走航式ADCP代替傳統的流速儀是可行的，但需要前期比測分析，率定流量系數。文章對走航式ADCP在川北山區性河流的應用進行了研究。

關鍵詞：走航式ADCP；LS（25-1）型旋漿式流速儀；比測；川西北山區性河流 文獻標識碼：A

中圖分類號：P332 文章編號：1009-2374（2016）25-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.064

四川省西北部是岷江、大渡河青衣江的發源地，河流眾多，隨著社會經濟建設的發展，特別是“5·12”汶川地震后，水利資源的開發、水利水電工程的建設越來越多，給傳統的流量測量方式帶來諸多不利影響。為了減少這些影響，在流量的測量中引進了多普勒流速剖面儀，俗稱ADCP。走航式ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀相比，因其測流時間短、操作簡單，具有明顯的優勢。本文選取了岷江的一級支流雜谷腦河的控制站雜谷腦水文站和岷江上游的控制站威州（二）水文站進行走航式ADCP流量數據的比測分析，為該類儀器在川西北山區性河流的應用推廣奠定基礎。

1 走航式ADCP基本原理簡介

ADCP是一個包括由ADCP換能器、操作軟件系統、計算機及連接設備等組成的測流系統，與傳統的人工船測、橋測、纜道測量和涉水測量的基本原理一樣：在測流斷面上布設多條垂線，在每條垂線處測量水深并測量多點的流速，從而得到垂線平均流速，但ADCP所測的垂線可以很多，每條垂線上的測點也很多。二者之間還是有一些不同之處：

第一，傳統方法是靜態方法。無論是人工船測、纜道測量等，儀器總是固定于所測垂線上進行測量，而ADCP是動態測量方法。ADCP在隨測量船只運動過程中進行測量。

第二，傳統方法的測流斷面通常要求垂直于河岸。ADCP測量過程中不要求測流斷面垂直于河岸。船的航行軌跡可以是斜線或曲線。

2 比測試驗

選取了四川省阿壩州水文水資源勘測局的兩個水文站進行比測試驗，分別是雜谷腦水文站和威州（二）水文站，它們是岷江上游及其支流的控制站，其地理位置、河道特性、水流特征都是川西北山區性河流的典型，具有良好的代表性。

2.1 測站基本情況

雜谷腦水文站為岷江上游一級支流雜谷腦河控制站，地理坐標：東經103°09′，北緯31°26′。測驗河段順直，控制條件較好，河床由塊石和沙卵石組成。基本斷面下游150m左右為公路橋，形成卡口，為高水控制，中低水為河槽控制。由于受上游電站調節和下游公路橋墩的嚴重影響，使河床沖淤變化頻繁。洪水特性表現為：漲洪歷時短，退水歷時長；一次漲水過程一般為3～7天，峰頂歷時0.5～1h。

威州（二）水文站為岷江上游控制站，位于東經103°33′，北緯31°27′，測驗河段順直長約700m，上窄下寬，略呈喇叭形，河床由卵石組成，兩岸為人工河堤。基下約600m處有彎道，高水為彎道控制，中、低水為河槽控制。洪水過程線形狀，多為單峰，峰形較為肥胖，峰頂持續時間一般為2～6h，部分為復式洪峰，一次洪水過程多在5d以上，最長的可達10余天，洪水的地區分布主要為上游來水型。

2.2 分析目的

通過對走航式ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀的比測，分析兩種儀器的相關性，研究走航式ADCP能否在川西北山區性河流代替傳統的LS25-1型旋槳式流速儀的使用。

2.3 比測方案

LS25-1型旋槳式流速儀按照各水文站的流量測量測方案施測，走航式ADCP按照《聲學多普勒流量測驗規范》進行兩個測回測得斷面流量，計算所測流量的算術平均值，每半測回的流量值與平均值的偏差最大不超過±5%。由于受到所選兩個水文站附近電站的影響，水位變化頻繁，不能按常規比測方式進行，本次比測為LS25-1型旋槳式流速儀與走航式ADCP交替施測流量，以LS25-1型旋槳式流速儀測出的流量定出水位流量關系曲線，再把ADCP施測的流量與相同水位的線上流量建立相關性。

2.4 使用的儀器和軟件

雜谷腦水文站使用河流“瑞智”型600kHz相控陣ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀比測；威州（二）水文站使用“瑞江”1200kHz型ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀比測。采用RDI公司的WinRiver Ⅱ軟件。

3 資料的整理及分析

3.1 資料可靠性分析

走航式ADCP各設備按照技術要求安裝在三體船上，測量時采用纜道牽引三體船勻速在水面運動，橫向測量。本次在兩個水文站收集的ADCP流量資料都進行至少兩個測回施測，每半個測回流量值與平均值的偏差都在±5%范圍內。

雜谷腦水文站從2011年7月23日至10月20日使用走航式ADCP共收集11份流量資料，每半個測回流量值與流量平均值的偏差最大的是第8號流量，偏差為-3.32%～3.91%。本站測得水位變幅0.75m（1830.58～1831.33m），最小流量為47.5m3/s，最大流量為132m3/s。

威州（二）水文站從2012年1月17日至10月30日使用走航式ADCP共收集18份流量資料，每半個測回流量值與流量平均值的偏差最大的是第6號流量，偏差為-4.69%～4.82%。本站測得水位變幅3.03m（1307.67～1310.70m），最小流量為79.3m3/s，最大流量為829m3/s。

本次收集的資料嚴格按照各測驗規范操作，流量測點分布于各級水位，具有廣泛的代表性，是真實可靠的。

3.2 水位流量關系曲線的檢驗和誤差分析

雜谷腦水文站用LS25-1型旋槳式流速儀共收集資料44份，定出一條水位流量關系曲線，進行的三種檢驗：符號檢驗合格，適線檢驗免檢，偏離數值檢驗合格，標準差為2.2%，系統誤差為-0.2%。

威州（二）水文站用LS25-1型旋槳式流速儀共收集資料80份，定出兩條水位流量關系曲線，進行的三種檢驗：符號檢驗合格，適線檢驗免檢，偏離數值檢驗合格，一線標準差為2.5%，系統誤差為0.2%，二線標準差為1.6%，系統誤差為0.0%。

3.3 相關性分析

以走航式ADCP測得流量為橫坐標，以線上流量為縱坐標建立直線相關，直線過原點。雜谷腦水文站ADCP測得流量與流速儀定線的線上流量相關關系很好，相關系數為0.9990，直線斜率為0.8816，其相關公式為y=0.8816x。

威州（二）水文站ADCP測得流量與流速儀定線的線上流量相關關系很好，相關系數為0.9981，直線斜率為0.9388。其相關公式為y=0.9388x。

3.4 走航式ADCP測得流量與線上流量的檢驗和誤差分析

走航式ADCP測得流量與線上流量相比，偏差非常大，雜谷腦水文站的偏差在11.3%～15.3%之間，平均偏差為13.5%；威州（二）水文站的偏差在3.7%～10.6%之間，平均偏差為7.4%。但用各自的相關公式計算后，效果較好。以線上流量為準，對相關公式計算后的ADCP流量數據做三種檢驗：雜谷腦水文站的符號檢驗合格，適線檢驗免檢，偏離數值檢驗合格，標準差為1.1%，系統誤差為0.0%；威州（二）水文站的符號檢驗合格，適線檢驗合格，偏離數值檢驗合格，標準差為2.4%，系統誤差為0.8%。

4 存在的問題

第一，由于本次分析所選的兩個水文站受到附近電站的影響，水位變化頻繁，無法做到走航式ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀同時測驗，不能直接與之建立相關關系，未能對水深、面積和流速做進一步分析。

第二，川西北山區性河流的流速較大，在操作走航式ADCP三體船時，船體容易被打翻，需要謹慎操作，掌握好三體船迎水面與水流的夾角。

第三，走航式ADCP比較實用于漂浮少、含沙量低的平水期和枯水期，對于漲水期，河面漂浮物比較多，含沙量高，對走航式ADCP存在諸多安全隱患，并且測量精度不高。

5 結論及建議

5.1 結論

通過在雜谷腦水文站和威州（二）水文站對走航式ADCP與LS25-1型旋槳式流速儀法比測分析來看，本次分析所采用的資料真實可靠，符合《河流流量測驗規范》（GB 50179-93）和《水文測驗及資料整編補充規定》（SCSW001-2002）等相關規程規范要求；收集時間較長，能較好地反映各個水位級流量變化趨勢；分析過程完整，誤差較小。可以得出以下主要結論：

第一，本次使用的兩款走航式ADCP在川西北山區性河流的使用時，測流時間短、操作簡單、穩定性好，每半個測回流量值與平均值的偏差都在±5%范圍內，符合《聲學多普勒流量測驗規范》要求。

第二，從它們的相關性來看，他們的相關關系很好，雜谷腦水文站的相關系數為0.9990，威州（二）水文站的相關系數為0.9981，在川西北山區性河流使用走航式ADCP是可行的。

第三，從相關公式來看，雜谷腦水文站的直線斜率分別為0.8816，威州（二）水文站的直線斜率為0.9388，要在川西北山區性河流使用走航式ADCP需要前期數據的比測分析，率定流量系數。

5.2 建議

由于在雜谷腦水文站與威州（二）水文站對走航式ADCP比測數據分析來看，存在流量系數，對該系數的使用有以下建議：

第一，該系數的使用與分析范圍應基本一致。向上延長的幅度在系數基本穩定時，一般不得超過系數分析時流量變幅或水位變幅的20%；向下延長的幅度在系數基本穩定時，一般不得超過系數分析時流量變幅或水位變幅的10%。當系數使用范圍超過允許的外延幅度時，應根據測站特性，經綜合比較分析，確定相關系數。

第二，該系數使用時間，一般為5～8年，超過此年限應重新分析。在使用期，每年應進行不低于5次的與流速儀同時比測成果比較，否則應重新分析。

參考文獻

[1] 聲學多普勒流量測驗規范（SL337-2006）[S].

[2] 河流流量測驗規范（GB 50179-93）[S].

[3] 水文資料整編規范（SL247-1999）[S].

[4] 水文測驗及資料整編補充規定（SCSW001-2002）[S].

作者簡介：王春華（1983-），男，重慶人，四川省阿壩州水文水資勘測局水文工程師，研究方向：水文水資源。

（責任編輯：秦遜玉）