水文監測中ADCP流量測驗與誤差控制分析

馮克蘭

（湖南省岳陽水文水資源勘測中心,湖南 岳陽 414000）

0 引言

流量測驗是水文監測的重要組成部分，通過流量測驗能夠得到水位和流量的關系，從而按照水位情況來判定流量狀態。而ADCP是近些年發展的重要流量測驗的重要設備，可以應用在多個領域，例如海洋流場結構、水文領域等。通過ADCP的有效應用能夠提升流量測驗的自動化水平，提升工作效率。但是采用ADCP進行流量測驗時若是受到流沙河床、磁場等影響很難確保準確性，所以需要進行相應的誤差控制。

1 ADCP流量測驗基本原理以及方法

1.1 ADCP流量測驗基本原理

隨著聲源的逐漸接近，檢測到的聲調不斷增加，反之在聲源遠離時聲調和速度會成正比降低。發射聲波頻率和回波頻率之差為：

其中：Fd表示為聲學多普勒頻移；F表示發射波頻率；V表示物體順著聲束方向的移動速度；C表示聲波在水中的傳播速度。

每一個換能器軸線可以表示為一個聲束坐標，3 個換能器軸線就可形成一組空間聲束坐標系。首先，ADCP會測出每一聲束坐標的流速分量，之后通過聲束坐標和ADCP的直角坐標系（X-Y-Z）實施轉換形成X-Y-Z坐標系的三維流速，最后通過羅盤以及傾斜計所得數據將X-Y-Z坐標系下的流速轉換成為地球坐標系下的流速。

1.2 ADCP流量測驗方法

在進行斷面測量過程中，ADCP可以測出斷面中部區域流速，也可以稱之為實測區。除此之外，還存在4個無法有效測量數據的非實測區。對于非實測區的表層或者底層來說，ADCP一般會通過流速剖面法對表層或者底層流速流量實施推算，可以通過經驗法對岸邊的區域實施估算。一般按照岸邊區域底坡情況以岸邊流速系數計算岸邊區域平均流速以及流量。

從原理上來看，ADCP流量測驗和傳統方式是相同的，都是在測流斷面上設置多條測速垂線，在每條垂線位置測量水深以及多點流速，進行相應計算后能夠得到垂線平均流速。但兩者之間存在一定差異：

1）相對于傳統流量測驗方法來說，通過ADCP流量測驗所測得的測速垂線相對較多，每一條垂線測速點也較多；

2）傳統流量測驗方法所用儀器都固定到所測垂線上實施測量，屬于靜態測量。而ADCP會隨著測船運動進行測量，屬于動態測量；

3）傳統流量測驗方法需要斷面垂直水流方向，而ADCP方法對測流斷面沒有要求，測船航行軌跡可以為斜線、可以為曲線[1]。

2 ADCP流量測驗誤差來源分析

（1）河底推移質運動對于測船航行速度具有嚴重影響。在水流速度較快的情況下，河底部泥沙受到水流沖擊而形成推移質運行，此種情況下會嚴重影響ADCP所測船的航行速度，所測得的水層流速要小于實際流速，造成流向偏差。

（2）高含沙水流會增強聲波能量的反射以及吸收，距離換能器相對較近的區域回波強度相對較大，距離換能器較遠的區域回波強度會下降到本底噪音，從而造成ADCP剖面深度的減小。高含沙水流會造成ADCP底跟蹤和水深測量誤差增加直到失效。

（3）在進行流量測驗時所選不同深度單元尺寸會嚴重影響測量內容，包括：水層流速測量精度、流速測量垂直分辨率、剖面深度等等。在單元尺寸較小的情況下，流速測量垂向分辨率較高，能夠測量的范圍較大，但是所測內容精度相對較低，同時會造成剖面深度的下降。在單元尺寸較大的情況下，表層未測區厚度會增加，同時流速測量精度以及單元尺寸關系呈現出了階躍函數形式。

（4）通過不同的脈沖數據輸出能夠影響到流速以及流量的測量精度。單脈沖數據輸出會造成ADCP單位時間內脈沖采樣速率以及采樣個數的下降，從而影響到流速以及流量的精度。另外，多脈沖數據輸出會降低數據處理以及計算次數和時間，從而提升脈沖發射的數量。

（5）在進行流量測驗過程中，對于ADCP非實測區的表層或者底層來說，在可以通過指數公式表示明渠均勻流速垂直方向分布的情況下，可以利用指數流速剖面法實施平均流速的估算[2]。

3 ADCP流量測驗誤差控制分析

（1）在進行河底推移質運行所造成誤差控制時，需要降低ADCP的頻率。受推移質運動的影響，水體中含沙量會有較大提升，而低頻系統的聲波具有較強的穿透能力，能夠通過降低跟蹤脈沖長度來降低甚至消除因為推移質運動所造成的測量誤差。若是通過上述措施無法進行有效的誤差控制，可通過高精度GPS以及羅徑測量船速，一定要要確保差分GPS精度達到亞米級精度，及ADCP外部羅盤要實施精確的標定，同時也要對地磁偏角進行精確測定。除此之外，要確保測船的航速小于或等于河流的平均流速。

（2）在對高含沙水流所造成的測量誤差控制時，因ADCP高含沙水流中無法正常實施底跟蹤以及水深測量，需通過差分GPS進行船速的測量，同時采用回聲測深儀實施水深測量。

（3）在對不同深度單元尺寸所造成的測量進行誤差控制時，在水較深的情況下要采用較大的單元，在水較淺的情況下要采用較小的單元，從而提升實測的范圍，也能夠增加垂向有效單元數目。

（4）在對不同脈沖數據輸出所造成的測量誤差控制時，要盡可能采用多脈沖數據輸出的方式。由于流速以及流量的測量精度和脈沖采樣速率平方根成正比，單脈沖數據輸出比多脈沖平均數據輸出流速和流量測量精度降低大約5/7 倍～10/17 倍。

（5）在對ADCP非實測區表層或者底層流量計量誤差控制時，需要通過多次比側率定指數，要確保不同斷面指數分別率定[3]。

4 具體案例分析

（1）采取上述流量測驗誤差控制措施后，某站在2018年3月到9月半年期間，通過普通的流速儀以及RDI600kHz的走航式ADCP分別實施了流量比測，具體情況見表1。

表1 流速比測內容

有效的斷面流量比測達到了40 次，進行誤差分析以及統計的ADCP成果所得相對標準誤差為1.15%，系統誤差達到了1.71%。

通過ADCP的BTM、GGA模式流速分別和流速儀流速實施誤差統計可知，在BTM模式下相對標準差達到了15.62%，系統誤差達到了-12.28%，在GGA模式下相對標準差達到了7.86%，系統誤差達到了-0.7%。但是隨著流量的增加，在BTM模式下所測得的流速越發偏小，誤差也隨之增加；通過ADCP的BTM、GGA模式和流速儀法垂線平均流速單獨實施誤差統計可知，垂線平均流速比測誤差和測點流速誤差大體上相同，在BTM模式下相對標準差達到了12.7%，系統誤差達到了-11.18%，在GGA模式下相對標準差達到了3.23%，系統誤差達到了-0.3%。之所以造成BTM模式下誤差超限，主要是由于底跟蹤失效的緣故。

（1）通過ADCP采用底跟蹤方式實施斷面流量測驗，測驗誤差以及相應精度都滿足《城市水文監測與評價分析技術導則》（SL/Z 572-2014）規范的要求[4]。

5 結語

綜上，在利用ADCP實施斷面流量測驗時所測部位都是斷面中部，所以此區域也可稱之為ADCP的實測區。水文監測中ADCP流量測驗具有測量便利、快捷的特點，可以進行實時監測。但是在水深不足、周邊存在磁場、河床為流沙的情況下測量精度就會受到較大影響。本文主要分析了ADCP流量測驗誤差的影響因素，在此基礎上提出了ADCP流量測驗誤差控制針對性的措施。以期對水文監測中ADCP流量測驗誤差控制提供一定參考和幫助。