鋼鐵材質浮標對ADCP水文監測系統流量測驗精度的影響

杜亞南,張良平,游目林

(長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136)

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鋼鐵材質浮標對ADCP水文監測系統流量測驗精度的影響

杜亞南,張良平,游目林

(長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136)

針對鋼鐵材質浮標的ADCP水文監測系統內置羅經受船磁力影響,導致流向測驗出現偏差的問題,通過2009—2011年徐六涇水文站定線比測大、中潮水文測驗的實測資料,分析采用垂直于斷面的方位角作為流向(流向不修正)和采用斷面各垂線實測平均流向作為流向(流向修正)兩種情況下鋼鐵材質浮標對ADCP水文監測系統流量測驗精度和流量、潮量計算的影響。結果表明：無論是否修正流向,計算得到漲落潮流量、潮量以及全潮下泄潮量和走航式ADCP定線比測的實測資料相比,誤差均較小,精度都很高;在流量和潮量計算時,可以對鋼鐵材質浮標ADCP流向不做修正。

鋼鐵材質浮標;水文監測;流量測驗;測驗精度;ADCP;徐六涇水文站

ADCP(acoustic Doppler current profiler) 作為一種水文監測儀器,自從20 世紀70 年代出現以來得到了廣泛的應用。ADCP 是一種聲學測量儀器,使用聲學多普勒原理進行流速測量。早期采用窄帶技術的ADCP采用非相干脈沖速度測量,后期采用寬帶技術的ADCP 則是依靠測量聲波的時間延遲而不是頻率的變化來計算流速[1-2]。流速流向是潮汐調查的基本要素之一,當前使用的流速流向儀器觀測類型較多,按照流向的測量可以分為兩類: 一類是通過外部羅經計算得到流向。外部羅經具有不受磁場分布影響、不受速度和緯度影響、沒有累積誤差等優點,能穩定地提供較為準確的方向數據,得到的流向誤差較小[3]。另一類使用儀器內部自帶磁羅經。船舶上的鋼鐵材料,由于受地磁場磁化而產生磁性,稱為船磁, 船磁對安裝在船上的磁羅經羅盤的作用力稱為船磁力。由于船磁力的影響,羅經產生除磁差以外的指向誤差,影響用于導航的磁羅經產生自差的原因很多且非常復雜[4]。

用鋼鐵材料制成的水文監測浮標,對安裝在浮標內部ADCP自帶的磁羅經也會產生指向誤差,實際測得的方向是地磁力和浮標磁力的合力方向即羅北方向,使觀測得到的流向與實際流向產生偏差[5-6]。李占橋等[4]研究表明,船磁力對流速影響較小,對流向影響較大。國內外對ADCP內置磁羅經受鋼鐵材質船磁力的流向影響研究較多[7-11],對流量影響的研究較少。本文采用2009—2011年徐六涇水文站定線比測大、中潮水文測驗的實測資料,分析采用垂直于斷面的方位角作為流向(流向不修正)和采用斷面各垂線實測平均流向作為流向(流向修正)兩種情況下鋼鐵材質浮標對ADCP水文監測系統流量測驗精度和流量、潮量計算的影響程度,從而分析鋼鐵材質浮標的ADCP水文監測系統流量測驗精度。

表2 中泓組合流速與中泓流量關系曲線精度及曲線檢驗結果

注:(+)表示計算流量大于實測流量,(-)表示計算流量小于實測流量。

1 測驗情況簡介

徐六涇水文站位于長江河口段,長江河口屬于海陸雙向性河口,徐六涇斷面寬5 881 m,為復式河床結構,采用代表線法測驗與整編潮流量過程。由于徐六涇水文站測流斷面在漲落潮過程中的流速分布變化比較復雜,以單線或雙線組合作為代表線整編潮流量過程精度相對較差,多線組合才能滿足潮流量整編精度的要求,因此在徐六涇水文斷面建設了5條監測垂線,從左向右依次為1號、2號、3號、4號浮標及2號水文平臺,構成了實時監測浮標系統。徐六涇水文監測浮標由浮標浮體、監測儀器(ADCP)、數據采集、數據傳輸、供電系統等組成。浮標浮體采用聚脲材料制作,浮體內部填充彈性閉孔泡沫,并采用金屬材料做增強骨架,浮體預設儀器安裝孔和固定支座等,安裝ADCP監測儀器,標體支架上采用太陽能電池板和免維護蓄電池為儀器供電。使用GPRS無線數據傳輸完成實時系統監控和數據傳輸,實現遠程現場數據查看、數據分析。

徐六涇斷面寬闊,測驗將整個測流斷面分為4個子斷面,從左岸(起點距0 m)～2 000 m為1號斷面,稱為左邊灘;2 000～3 600 m為2號斷面,3 600～5 200 m為3號斷面,稱為中泓部分;5 200～5 881 m為4號斷面,稱為右邊灘。2005年,根據代表線法測流原理,采用浮標ADCP 結合平臺ADCP 的測流系統,實現了潮流量實時自動監測,通過每年3、7、10月走航式ADCP實測的定線比測資料分析計算,徐六涇水文站成功實現了潮流量整編[12]。

2008年11月,徐六涇斷面潮流量自動監測系統進行了全面升級,升級后的浮標浮體由鋼材制成。鋼鐵材質制成的水文監測浮標,相對于聚脲材料和泡沫制作的水文監測浮標穩定性好、抗碰撞能力強、使用壽命長、便于維護。

2 數據處理和精度統計

從走航ADCP測驗數據中提取中泓流量、左邊灘流量和右邊灘流量,中泓流量為2號、3號斷面實測流量之和。提取浮標及平臺位置的垂線流向數據,計算各垂線的平均流向,結果如表1所示。

表1 監測垂線平均流向統計

為研究流向與計算流量的關系,在定線分析時用兩種方法計算分析:

a. 方法一。徐六涇斷面的方位角為185°,把浮標測得的流向認為垂直于徐六涇斷面,即認為斷面上5個垂線所有漲潮流向是275°,所有落潮流向是95°。

b. 方法二。5個垂線分別采用表1中各自測得的垂線平均流向作為垂線流向,從而對實測流向進行修正。

采用2號、3號、4號浮標和2號平臺ADCP實測流速,分別利用這些垂線的平均流速進行面積加權求出組合流速,推求組合流速與中泓流量、左邊灘流量、右邊灘流量的關系。

2.1 中泓部分流速流量關系的推求

中泓部分流速的組合利用2號、3號、4號浮標流速和2號平臺流速,對中泓組合流速與實測中泓斷面的流量采用2009年3月2次測驗資料分別按方法一和方法二建立流速-流量關系,并進行偏差、系統誤差、隨機不確定度(α=5%、α=25%)、相關性檢驗、符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗統計,結果如表2所示。

從表2可以看出,兩種方法統計的流速-流量關系曲線精度及曲線檢驗結果相差很小,且均符合規范的要求。

2.2 左、右邊灘流速相關關系的推求

利用1號浮標平均流速與左邊灘平均流速建立相關關系,利用2號平臺平均流速與右邊灘平均流速建立相關關系,利用2009年3月2次測驗資料分別采用方法一和方法二建立漲潮流速、落潮流速相關關系,相關系數見表3。

表3 左、右邊灘平均流速相關關系

從表3可以看出,采用兩種方法計算得到的左、右邊灘流速相關關系很接近,都達到了精度要求。

3 流量和潮量對比分析

3.1 流量

利用定線公式,分別計算出方法一和方法二兩種情況下的流量,計算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Q左、Q右、Q中、Q分別為左邊灘、右邊灘、中泓和整個斷面流量；K左、K右分別為左、右邊灘系數；V1浮、V2平分別為1號浮標流速和2號平臺流速；S左、S右分別為左、右邊灘面積；n為部分面積數；qi為相鄰兩測速垂線間的部分流量。

2009年3月大、中潮2次測驗流量的對比分析見表4和表5(表中誤差1是兩種方法定線計算流量之間的相對誤差;誤差2是方法一定線計算流量和實測流量間的相對誤差;誤差3是方法二定線計算流量和實測流量間的相對誤差)。

從表4和表5可以看出,方法一計算流量和實測流量間的相對誤差(誤差2)與方法二計算流量和實測流量間的相對誤差(誤差3)一致性很高。兩種方法計算流量的相對誤差(誤差1)在小流量時較大,但絕對誤差較小,大潮最大為2.7%,中潮最大為2.6%,其余誤差全斷面都很小,大部分在1%左右。

利用定線公式,分別對2010年和2011年3月大、中潮測驗資料采用方法一進行全斷面計算流量和實測流量驗證,結果見圖1～4。

表4 兩種方法定線計算的流量對比 (2009年3月24—25日部分時段全斷面大潮)

圖1 2010年3月17—18日大潮方法一 計算流量和實測流量對比

圖2 2010年3月20—21日中潮方法一 計算流量和實測流量對比

日期時刻計算流量/(m3·s-1)方法一方法二實測流量/(m3·s-1)誤差1/%誤差2/%誤差3/%30日31日13：0064683644556352604181514：00-1615-1646-1735-19-69-5115：00-75247-75039-7785803-34-3616：00-72774-72579-6935403494717：00-40872-40932-41768-01-21-2018：0050864965509324-01-2519：00469244742250615-11-73-6320：0066640664177018903-51-5421：0074624743607402204080522：0073439731877452303-15-1823：00702137062071557-06-19-130：00689116931868025-0613191：0060933607186164104-11-152：00-3591-3500-375126-43-673：00-86249-86816-90157-07-43-374：00-90541-90261-9103703-05-095：00-67712-67655-655630133326：00-23356-23058-2465213-53-657：0032490323863423103-51-548：00627596320265286-07-39-329：0072932726877390703-13-1710：00751517553676506-05-18-1311：0075027747607361804191612：0072354721047162503100713：0067080668456657904080414：0048582484104751404221915：00-36563-36543-3886301-59-6016：00-68157-68065-7048901-33-3417：00-53731-53721-5522000-27-2718：00-22653-22696-21986-023032

圖3 2011年3月20—21日大潮方法一 計算流量和實測流量對比

圖4 2011年3月17—18日中潮方法一 計算流量和實測流量對比

從圖1～4可以看出,2010年和2011年3月大、中潮全斷面方法一計算流量和實測流量誤差均在5%之內,小流量情況下,誤差相對較大,大流量情況下,誤差相對較小。

3.2 潮量

對2009年3月大、中潮分別采用兩種方法計算的流量和實測流量根據式(5)計算潮量,結果見表6。

(5)

式中:W為潮量;t0、t1為相鄰的2個憩流時間。

表6 大、中潮潮量對比 億m3

從表6可以看出,采用3種流量計算得到的漲潮、落潮、全潮潮量都非常接近,相互之間的誤差均較小,最大相對誤差只有2.3%(為采用方法一計算流量和實測流量這兩種流量計算得到的中潮漲潮潮量-14.52億m3和-14.20億m3之間的相對誤差),精度均較高。

3.3 精度評價

一般情況下,流量誤差包括流量測驗誤差和流量計算誤差。劉桂平等[13]研究表明,對于同一斷面,流量計算精度主要由測速垂線數量的多少決定。測速垂線越多,精度越高,誤差越小;測速垂線越少,精度越低,誤差越大。流量測驗誤差在流量誤差中起決定性的作用,而流量計算誤差在流量誤差中也起著重要的作用。

根據GB 50179—2015《河流流量測驗規范》,徐六涇斷面流量測驗的誤差來自于定點ADCP測驗誤差和走航式ADCP測驗誤差,流量計算誤差來自于定點ADCP流量計算誤差和走航式ADCP定線流量計算誤差。因此,前文分析的流量計算誤差,包含了定點ADCP測驗誤差和走航式ADCP測驗誤差及其各自的流量計算誤差。計算結果表明,不論對流向數據是否修正,計算得到的各種流量和潮量誤差均較小,精度都很高。

4 結 語

在現有徐六涇斷面水流動力條件、測流斷面條件及實際測驗布置狀況下,本文對采用垂直于斷面的方位角作為流向(流向不修正)和采用斷面各垂線實測平均流向作為流向(流向修正)兩種情況下鋼鐵材質浮標對ADCP水文監測系統流量測驗精度和流量、潮量計算的影響進行了計算分析,通過流量、潮量分析與精度評價,結果表明,無論對流向數據是否修正,其計算的漲落潮流量、潮量以及全潮下泄潮量和走航式ADCP定線比測的實測資料相比,誤差均較小,精度都很高。因此,在流量和潮量計算時,可以對鋼鐵材質浮標ADCP流向不做修正。鋼鐵材質制成的水文監測浮標相對于聚脲材料和泡沫制作的水文監測浮標,穩定性好、抗碰撞能力強、使用壽命長、便于維護。使用鋼鐵材質的ADCP水文監測系統對于提高測驗精度、減少測驗投入、提高測驗效率非常有益。

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Effects of steel buoy on flow measurement accuracy of ADCP hydrological monitoring system//

DU Ya’nan, ZHANG Liangping, YOU Mulin

(YangtzeRiverEstuarySurveyBureauofHydrologyandWaterResource,ChangjiangWaterResourcesCommission,Shanghai200136,China)

The inner compass of the acoustic Doppler current profiler (ADCP) hydrological monitoring system with steel buoys is affected by a ship’s magnetism, which leads to deviation of the measured flow direction. Based on data measured at Xuliujing Hydrological Station during the spring tide and middle tide from 2009 to 2011, the effects of steel buoys on the flow measurement accuracy of an ADCP flow measurement system and the calculation results of discharge and tidal volume were investigated under the conditions when the angle perpendicular to the cross-section was used as the flow direction (without flow direction correction) and when the measured mean flow direction of the verticals on the cross-section was used as the flow direction (with flow direction correction). The results show that, compared with the data measured with the vessel-mounted ADCP, the discharge and tidal volume of flood tides and ebb tides and the sum of tidal volume show small errors and high precision, whether the flow direction is corrected or not. It is concluded that the flow direction of the ADCP system with steel buoys can be uncorrected in the calculation of discharge and tidal volume.

steel buoy; hydrological monitoring; flow test; measurement accuracy; ADCP; Xuliujing Hydrological Station

水利部公益性行業科研專項(201201068)

杜亞南(1969—),男,高級工程師,主要從事水文測繪及技術管理工作。E-mail:cjkduyn@126.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.010

P335

A

1006-7647(2017)01-0055-05

2016-01-20 編輯：熊水斌)