大青河水文站ADCP流量比測分析

鐘 超

（阿勒泰水文勘測局,新疆 阿勒泰 836500）

1 流域概況

海河流域支流大青河位于新疆阿勒泰地區青河縣，在縣城南側匯入青格里河，流域集水面積3297 km2，平均比降3.78‰，上游土石山區平均海拔1496 m，植被覆蓋良好，中游黃土塬區古坡陡峭，水土流失嚴重。流域內呈典型的暖溫帶大陸性干旱季風氣候，冬季嚴寒夏季炎熱，降水集中在7月～10月，暴雨洪水陡漲陡落。流域內重要的控制站大青河水文站最大實測流量498 m3/s，測站所在流域左岸岸基河道彎曲，河床巖層條件為砂礫石、卵石及紅砂巖，在水蝕及凍害作用下，塌岸頻發，水文要素觀測存在很大難度。

2 測流儀器設備

大青河水文站河床地質條件復雜，左岸沖淤變化明顯，ADCP測流因鐵質測船在底跟蹤施測測船速度不明時而導致河床底部施測流量明顯偏小。本分析過程采用高精度差分GPS、GPS數字化羅經儀與ADCP組合構成的ADCP測流系統，能有效解決鐵質測船因底跟蹤施測測船速度不明而引起的流量偏小問題，提升測速和流量計算精度。本次測流所使用儀器設備及性能情況見表1。

表1 大青河水文站測流所使用儀器設備

3 流量比測過程及結果分析

3.1 流量比測過程

大青河水文站所采用的傳統測流方法包括船測法、纜道流速儀測流、水文絞車測深。纜道流速儀測流是在施測斷面根據實際需要均勻布設測速垂線，在各斷面內進行垂線上一點或多點流速的測驗，通常采用的是流量測驗一點法（0.6），測點相對固定，再進行部分面積測流，最后加總求和測驗斷面的流量。而ADCP測流則可以將單條測深垂線劃分為128 個測驗單元，能夠從河道的一岸運動到另一岸，并結合GPS、羅經儀進行位置的確定，通過聲學多普勒原理測出不同水深所對應的水體流速，再通過積分法求得斷面流量。

在運用ADCP測流的過程中，首先進行不同深度的深度單元設置，也就是將測流斷面劃分為若干子斷面，通過聲波的不斷發射，確定發射時間間隔和滯后間隔，并采用多普勒頻譜寬度在各個子斷面測量垂線上一點或多點進行水流流速與水體深度的估算，再疊加各子斷面水流流速，便可得到整個斷面的流速流量值[1]。ADCP測流與纜道流速儀測流都是通過布設多條垂線而將全部測流斷面劃分為若干子斷面，通過測量子斷面垂線處水深及多點流速而得到子斷面平均流速。但是ADCP測流突破了纜道流速儀測流方式的局限性，不要求測流斷面與河岸垂直，施測更加方便，在測船航行過程中采樣率高，數據質量有保證，免于擾動流場、施測歷時短，測速范圍大。

ADCP測流應盡量增大實測區域，測船在有效的測量區域內盡量靠近邊岸，盡可能減少換能器入水深度。測流過程中，確保ADCP與纜道流速儀同步施測，纜道流速儀測流結束后繼續使ADCP走航測流一個半測回，ADCP共測流四次，并保證每次所測流量與四次測流平均值的相對誤差在5%范圍內，若超出，則應補測一個測次。為確定ADCP在大青河水文站所適用的水位流量范圍，比測試驗在不同水位流量及來水來沙條件下進行，并與纜道流速儀測流進行比較，分析ADCP與纜道流速儀測流資料系列之間的相關關系，按照《水文資料整編規范》（SL 247-99）進行纜道流速儀實測流量與ADCP斷面平均流量數據的對比與精度檢驗。

3.2 流量比測結果及分析

本次比測結果參考值采用纜道流速儀測流流量結果，進行纜道流速儀測流與ADCP測流結果的比測分析，斷面面積、水面寬、流速均值、流量均值等見表2。

表2 實測流量成果對比情況

由表2可知，纜道流速儀測流和ADCP測流斷面流量均值相對偏差并不一致，兩種測流成果中斷面面積也不相同，但同一時刻同一斷面面積應當相同，造成這種差異的原因主要是ADCP本身的系統誤差及測驗誤差。纜道流速儀法主要通過面積包圍的方法計算流量（圖1），根據測驗規范，各水文要素精度達到要求，能夠作為標準值使用。而ADCP測流則主要通過各個測流單元流量的累加、水面與河底盲區、兩岸盲區等三部分的加總而得到斷面流量值[2]，其中的單元流量及水面河底盲區流量偏差均構成ADCP本身的系統誤差，而兩岸盲阻流量計算結果的準確與否與施測過程中水邊距離的設定情況有關。

通過進一步分析不難發現，表1中ADCP測流第1、3、4測次中水面寬度并不合理，經過對原始資料的仔細校核發現，第3測次中水面寬的設置存在誤差，結合水深情況進一步調整并分析計算得，本次流量應該是220 m3/s。第1、4 測次的水面寬也存在一定誤差，主要原因在于ADCP測流中水面寬的設置主要依靠目測，對岸距離較遠則很容易產生視覺誤差。經過矯正后，第1 測次斷面流量均值調整為125 m3/s，第4 測次斷面流量均值調整為240 m3/s。纜道流速儀測流結果與ADCP結果存在較大的系統性偏差，經過深入分析發現，本次ADCP測流探頭入水深度值設置為5 cm，而實測時入水實際深度為9 cm，進行系統偏差修正后，共進行18 次比測，所得到的比測成果見表3。

表3 系統偏差修正后的比測成果

圖1 纜道流速儀測流與ADCP測流相關關系圖

比測試驗提取不同水位同步流量實際測量資料，并點繪纜道流速儀測流與ADCP測流相關關系圖（見圖1），相關關系為0.9876，進行纜道流速儀與ADCP測速的折算系數率定，結果為1.0016，以單次流量測驗所允許的誤差為參考，高水控制在5.5%，中水控制在6.8%，低水控制在9.6%，可見，比測系統誤差符合《河流流量測驗規范》（GB 50179-93）的精度要求，纜道流速儀與ADCP測速的折算系數可以用于流域斷面ADCP測流過程。

3.3 大斷面的獲取

采用測流纜道將ADCP從河道左岸拖拽到右岸，并盡可能保證ADCP運動軌跡與河岸垂直以及與水文纜道測流斷面平行，則ADCP測流過程中，其航行軌跡必將與測流斷面重合。ADCP測流過程中能測量出水面至各測驗單元的距離，所以借助專用軟件便可得到流速大小等值圖，從而直接反應各斷面及測驗單元實際情況，河底構成其外部輪廓線，同時能較為直觀的將大斷面圖反應在流速大小等值圖上，在圖中當鼠標指向輪廓線時，便可顯示出水深、流速等數據，通過提取數據便可得到ADCP大斷面圖。由于ADCP子斷面較為密集，河床分辨率也十分高，所以其所獲得大斷面河底較為平滑，而纜道流速儀所獲得大斷面河底存在輕微的鋸齒現象。由于ADCP從左岸向右岸移動時在起點和終點位置難以與水邊重合，河岸兩端水體并未與河岸連接，實際應用時應依據河床具體情況，若河岸河床為寬潛式，且水深無法達到ADCP測流要求，則應改用纜道流速儀測流。

4 結論

通過不同斷面傳統流速儀測流與ADCP測流比測可以看出，ADCP測流精度受諸多因素影響，而且斷面選擇非常重要，為提升測流精度，應盡量選擇順直、含沙量小、無紊流的河道斷面施測，并盡可能避免懸浮物質的不利影響。為確保測流精度，可以考慮增加ADCP回測，并通過取其均值以有效降低水面波浪、河床推移質、紊流等不利水流環境對測流結果的影響。實踐證明，ADCP測流結果精度高，而且能實現在線實時測流，在水文領域應用前景十分廣泛，是未來測流的必然趨勢。當前《聲學多普勒流量測驗規范》（SL 337-2006）已經實施，在ADCP測量前應當合理制定河道比測方案，充分發掘傳統測流與現代測驗方法的銜接點，實現理論研究與實際應用的有機結合，不斷推動ADCP測流技術的應用與發展。