基于ADCP測量懸移質(zhì)含沙量的實(shí)驗(yàn)研究

郭 凱，劉 亮，柯 達(dá)，胡 綱

(1.長江水利委員會(huì)長江下游水文水資源勘測局，南京 210011；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所， 天津 300456；3.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

目前長江流域的各水文大站，基本都采用了ADCP進(jìn)行流量測驗(yàn)，準(zhǔn)確、快捷。然而，如何提高輸沙率測驗(yàn)效率一直是個(gè)難題。

傳統(tǒng)的測驗(yàn)方法是在具有代表性的垂線上分層測流、同步取樣，然后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)、分析計(jì)算得到斷面的輸沙率，這種方式存在費(fèi)用高、周期長、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，制約著水文泥沙測驗(yàn)現(xiàn)代化的發(fā)展。

近年來出現(xiàn)了多種泥沙實(shí)時(shí)在線監(jiān)測儀器，如OBS 、LISST等，但也只能采集單點(diǎn)含沙量，除能連續(xù)記錄數(shù)據(jù)外，與常規(guī)采樣器相比并無本質(zhì)上的優(yōu)勢，而且同樣需要現(xiàn)場率定[1-4]。

圖1 聲吶方程包含項(xiàng)示意圖Fig.1 Sketch of sonar equation inclusion term

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，ADCP數(shù)據(jù)中含有聲反向散射信號(hào)，能用來計(jì)算出懸移質(zhì)含量，進(jìn)而求得整個(gè)斷面的輸沙率。若本技術(shù)可行，不僅可以大幅度的減輕工作量、減少投入、保障安全，而且可以在同等條件下得到更多的系列資料，豐富水文測驗(yàn)成果[5-8]。

1 ADCP測沙原理

1.1 基本原理

從ADCP測流原理[9]可知，ADCP輸出數(shù)據(jù)中含有的聲反向散射信息，使ADCP具備了“觀測”(計(jì)算)整個(gè)垂線(定點(diǎn)測量)或斷面(走航測量)的懸移質(zhì)含量的潛力。

由聲反向散射信號(hào)(ABS)計(jì)算懸移質(zhì)含量(SSC)的方法是以小顆粒的聲散射聲吶方程為基礎(chǔ)的。聲吶方程[9](Urick, 1975)的簡化形式包含的項(xiàng)有聲傳播區(qū)、散射強(qiáng)度區(qū)、聲源電平等，如圖1所示。

實(shí)際應(yīng)用中，要獲取聲源的所有特征是不可能的，因此，簡化聲吶方程的指數(shù)形式[10]

SSCestimates=10(A+B×RB)

(1)

式中：SSCestimates為計(jì)算的懸移質(zhì)含量。

式(1)的指數(shù)項(xiàng)包括：測量的相對(duì)聲反向散射量RB、表示截距A和斜率B的項(xiàng)，相對(duì)反向散射是在傳感器處測量的回聲電平與雙向傳輸損失之和。截距和斜率可通過對(duì)同一個(gè)半對(duì)數(shù)面上同時(shí)測得的聲反向散射信號(hào)(ABS)和已知的懸移質(zhì)含量觀測值(SSCmeas)進(jìn)行回歸分析確定，形式是lg(SSCmeas)=A+B×RB。

1.2 ADCP聲學(xué)測沙方法的優(yōu)勢

(1)不受生物污染，這一點(diǎn)在河口流域尤其重要；(2)不影響水流結(jié)構(gòu)(非侵入式)；(3)采集的信號(hào)以水深分層，可得到整個(gè)剖面的序列資料；(4)應(yīng)用ADCP，流量與含沙量同步獲取。

1.3 ADCP聲學(xué)測沙理論局限性

雖然利用聲學(xué)方法計(jì)算懸移質(zhì)含量有諸多優(yōu)勢，但理論上尚存在如下局限：

(1)單頻儀器無法區(qū)分是水體含沙量還是顆粒粒徑分布發(fā)生了變化，可以通過取少量水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析；(2)“聲學(xué)方法測沙”的理論基礎(chǔ)是瑞利散射模型，該模型嚴(yán)格限于周長與波長的比率小于1的顆粒，一般適合顆粒在幾十到幾百微米之間。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 測站斷面布設(shè)

選取大通水文站作為實(shí)驗(yàn)研究站點(diǎn)，其位置如圖2所示，水文斷面見圖3，河槽左起點(diǎn)距260～500 m間河床由細(xì)沙組成，高洪時(shí)有3 m左右的沖淤；河槽中部起點(diǎn)距500～1 590 m河床為砂土，比左岸略粗，高洪時(shí)有沖有淤。起點(diǎn)距1 670～1 800 m間為礁板，礁板上分布有少量砂礫、卵石，河床穩(wěn)定。

據(jù)歷年水文年鑒資料統(tǒng)計(jì)，大通水文站斷面顆粒級(jí)配90%小于125 μm，顆粒適中，符合瑞利散射模型，因此具備了“聲學(xué)方法測沙”研究的理論基礎(chǔ)。

圖2 大通水文斷面所在位置示意圖Fig.2 Sketch of location of Datong hydrographic section圖3 大通水文斷面形態(tài)及垂線分布圖Fig.3 Sketch of morphology and vertical distribution of Datong hydrographic section

2.2 現(xiàn)場實(shí)施方法

(1)采用ADCP在水文測驗(yàn)斷面上進(jìn)行日常的流量測驗(yàn)工作；(2)測流結(jié)束后，測船在固定垂線處拋錨取樣。大通站選取起點(diǎn)距為1 050 m(如圖3中6#所示)處作為固定垂線，采用2 000 ml的橫式采樣器，按照“表層→0.2H→0.6H→0.8H→底層”的次序采集5點(diǎn)水樣，依次分層取樣；(3)分層取樣時(shí)，同步采集ADCP數(shù)據(jù)。采樣器在指定水深處停留約40 s左右后打下鉛錘，同時(shí)記錄下取樣的時(shí)間、水深以及ADCP 的#Ens 序號(hào)。

圖4 ADCP測沙數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Sketch of data processing flow of sediment concentration measurement based on ADCP

2.3 數(shù)據(jù)整理

ADCP測沙與傳統(tǒng)方法計(jì)算斷面輸沙率的原理相同，每兩個(gè)信號(hào)之間即可構(gòu)成一微子斷面，分別計(jì)算各微子斷面內(nèi)的平均含沙量和輸沙率，再將各微子斷面的輸沙率相加得到整個(gè)斷面的輸沙率。

ADCP測沙數(shù)據(jù)具體處理涉及到兩個(gè)程序，分別為荷蘭Aqua Vision公司開發(fā)的“ViSea DAS ” 程序和長江口水文水資源勘測局的“ADCP測沙后處理軟件2.6”程序(圖4)：

(1) “ViSea DAS ” 程序：利用子模塊PDT，首先采用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系曲線將第一層的ADCP的聲反向散射信號(hào)計(jì)算成懸移質(zhì)含量，此時(shí)，僅考慮聲學(xué)擴(kuò)散和水體吸收，不考慮顆粒衰減等其他因素，得到的懸移質(zhì)含量來計(jì)算顆粒衰減，這個(gè)值用來改正下一層的聲散射信號(hào)，通過設(shè)定收斂條件，不斷優(yōu)化重復(fù)，就能計(jì)算出每個(gè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的垂線平均含沙量；(2)“ADCP測沙后處理”軟件 ：主要是針對(duì)荷蘭Aqua Vision公司的PDT模塊中輸出的ASC數(shù)據(jù)，增加流量、面積等信息，以計(jì)算斷面輸沙率。

圖5 ViSea DAS程序數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.5 Sketch of data processing flow of ViSea DAS program圖6 ADCP測沙后處理程序數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.6 Sketch of data processing flow of ADCP post processing program

3 測驗(yàn)精度

圖7 兩種方法觀測數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Sketch of comparisons of observation data by two methods

3.1 精度分析

大通水文站從2011年9月份就開始在本站水文測驗(yàn)斷面進(jìn)行ADCP測沙與傳統(tǒng)法的相關(guān)比測工作。現(xiàn)將2011～2013年共40個(gè)測次的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。具體數(shù)據(jù)如圖7。

從輸沙率相對(duì)誤差數(shù)據(jù)X可以得知，其誤差在-10%

圖8 相對(duì)誤差各范圍所占百分比圖Fig.8 Sketch of percentage of relative error in each range圖9 傳統(tǒng)法與ADCP測沙輸沙率關(guān)系圖Fig.9 Sketch of relationship of sediment transport rate between the traditional method and the ADCP method

由上述分析可知，ADCP測沙方法與傳統(tǒng)法相比，相關(guān)系數(shù)良好，而且平均相對(duì)誤差僅為8.7%，由此可基本認(rèn)為該新的測沙方法在大通水文站等符合瑞利散射模型條件的區(qū)域，其精度是可靠的。

3.2 誤差分析

利用ADCP聲反向散射強(qiáng)度計(jì)算懸移質(zhì)濃度，誤差是多方面的，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)標(biāo)定時(shí)引起的誤差。橫式采樣器采樣時(shí)和ADCP同步采集的時(shí)間不一致；(2)傳統(tǒng)方法可以采集表層和底層的水樣，ADCP表底層存在盲區(qū)；(3)水樣分析誤差。量具不精確或觀讀容積不準(zhǔn)，抽吸清水可能流失一部分泥沙等；(4)數(shù)據(jù)處理誤差。除“聲學(xué)測沙”原理本身的局限外，尚可能存在軟件后處理過程中聲學(xué)參數(shù)誤差、數(shù)據(jù)匹配誤差、收斂計(jì)算誤差等；(5)其他誤差。

4 結(jié)論

從本次實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)可以說明了利用ADCP來替代傳統(tǒng)方法測定懸移質(zhì)含沙量是可行的。

(1)本次ADCP測沙與傳統(tǒng)法的相關(guān)關(guān)系達(dá)到0.98以上，平均相對(duì)誤差為8.7%，應(yīng)用ADCP進(jìn)行輸沙測驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了一定精度。但因?yàn)榇舜畏治鰳颖緮?shù)據(jù)較少，僅進(jìn)行了相對(duì)誤差分析，系統(tǒng)誤差及隨機(jī)不確定度等指標(biāo)的分析有待在后續(xù)比測工作中補(bǔ)充；(2)與傳統(tǒng)法比較優(yōu)勢明顯，進(jìn)行ADCP輸沙率測驗(yàn)，只是在測流過程中增加操作人員野外記錄，不僅使測流與測沙同步，而且提高了工作效率、豐富了測驗(yàn)資料成果。

ADCP輸沙率測驗(yàn)方法為將來自動(dòng)化測沙積累了經(jīng)驗(yàn)，是值得不斷探索和研究的測沙新技術(shù)，但是該方法對(duì)于泥沙顆粒級(jí)配有嚴(yán)格要求，因此針對(duì)不同水情的斷面，需事先進(jìn)行比測實(shí)驗(yàn)以判定該方法的可行性。