走航式ADCP 在阿勒泰水文站測流中的應用分析

阿勒騰努爾·溫尼爾

（阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

0 引言

近些年來，走航式ADCP 已逐步成為國內流量測驗的儀器之一，尤其是在洪水應急測驗中得到應用[1]。當前，隨著水文測驗現代化技術的逐步開展，大江大河國家基本水文站已逐步向流量新技術方向發展，特別是中小河流基本水文站，走航式ADCP 可作為中小河流巡測方式重要設備進行流量測驗[2]。但是該流量監測設備在區域流量監測的適用性還需要逐步進行檢驗，國內許多水文測驗技術人員，結合工作實際，采用與傳統流速儀對比觀測的方式進行走航式ADCP 流量測驗的適用性[3～6]，對比研究成果表明，走航式ADCP 基本可滿足區域水文測驗的要求，尤其是在一些區域的高洪水測驗中得到應用[7～10]，但也有研究表明在高洪水時，受到河流漂浮物及流速影響，走航式ADCP 適用性不高[11～13]。走航式ADCP 也已逐步在新疆地區水文測驗中得到應用[14～15]，但適用性分析的研究還相對較少，尤其在阿勒泰地區還未進行相關應用，阿勒泰地區山區型河流較多，河道流速一般較大。本文結合傳統流速儀對比觀測的方式，在水文測驗相關規范要求內，對走航式ADCP 在阿勒泰地區的適用性進行分析，研究成果對指導阿勒泰地區水文測驗方式具有重要的參考價值。

1 走航式ADCP 測流原理

ADCP 超聲波測流系統是根據多普勒效應原理，向水中發射四個固定頻率的聲波短脈沖，這些短脈沖碰到水中的散射體（如：浮游生物、泥沙等）將發生散射，ADCP 從每個波束接收到的回波信號可得到水流的東向、北向和垂向速度分量，測流示意圖見圖1。將水流從上到下的整個水柱劃分成若干個深度單元，各深度單元的流速數據組成流速斷面。在同一個數據組中，ADCP 分別記錄下底跟蹤速度和斷面水流速度信息，用測流軟件可以分析得到水流速度及流速在整個斷面的分布情況，進而計算出整個斷面的流量。可以實時顯示ADCP 的運行軌跡、水下斷面圖等信息。

圖1 ADCP 測流示意圖

2 流量測驗的精度評定方法及誤差標準

2.1 流量測驗的精度評定方法

按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）相關要求，流量分量相對標準差應按照以下公式進行估算，估算方程為：

式中：SY表示為流量分量的相對標準差，%；表示為n 個流量分量的算術平均值，m3/s；Yi表示第i 個流量分量的測量值，m3/s。

此外，流量測驗的精度可以按照總的不確定度來進行分析，各類水文站按照高、中、低水位各計算一次總的不確定度，流量各獨立分量的隨機不確定度，取置信水平為95%，并按照以下方法進行估算：

（1）當流量測量樣本的序列容量大于或者等于30 時，隨機不確定度應為相對標準差的2 倍；

（2）當流量測量樣本的序列容量小于30 時，應按照表1 中的學生氏（t）值乘以相對標準差得到隨機不確定度。

表1 置信水平為90%的學生氏（t）值

走航式ADCP 的儀器不確定度則結合生產廠家的給定的儀器精度指標進行確定，當流量可以劃分成若干函數后，假定各個流量分量屬于相互獨立后，總的隨機不確定度的計算方程為：

式中：X'Q表示為流量的總隨機不確定度，%；K 表示為流量分量的個數；Yi表示為第i 個流量分量的隨機不確定度，%。

2.2 誤差評定標準

進行走航式ADCP 流量測驗的誤差分析時，按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）相關要求，在高、中、低水位時應均勻的分布各測次，對比觀測試驗不少于20 個測次。由于每次歷時時間較長，在大洪水試驗困難較大時，試驗應選在流量相對平穩期進行。流量誤差試驗資料的整理和計算應符合以下規定：

（1）單次流量的近似真值，為采用多條測速垂線按平均分割法計算的斷面流量；

（2）對多線斷面流量做抽線精簡時，應保留控制斷面形狀和橫向流速分布轉折處的測速垂線，再按均勻抽取垂線的原則，計算得出少線斷面流量；

（3）測速垂線數目不足導致的誤差不應超過表2 中的規范要求。

表2 流量測驗規范要求的允許誤差

3 水文站對比觀測實例分析

3.1 流量測驗誤差分析

選定阿勒泰地區不同站類水文站進行流量測驗誤差統計分析，并按照高、中、低水三種類型分析其流量測驗的誤差，分析結果見表3。

表3 走航式ADCP 在阿勒泰地區不同站類水文站流量測驗誤差分析結果

從誤差統計分析結果可看出，結合《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）不同站類水文站允許誤差相關要求，在不同斷面垂線數目下，高水位流量測定置信度為95%的隨機不確定度都高于其規范要求的允許誤差，且各垂線數目下系統誤差均高于同組垂線數目下的系統誤差，表明在高水條件下走航式ADCP 不能有效滿足流量測驗的允許誤差要求，在各站類水文站高水流量測驗存在一定的不適用性，但相比于允許誤差，其相對誤差較小。走航式ADCP 在阿勒泰各站類水文站高水位流量測驗不太適用的一個主要原因在于高水位時，由于阿勒泰地區大都為山區型河流，其流速一般較大，而在高水位尤其是流速較大的洪水時期，走航式ADCP 受到高水流速沖擊影響，使得其流量測定的精度有所降低，在而中低水暢流期，由于水流相對較為平穩，使得走航式ADCP 的測流較為穩定，在中低水時期，通過對比觀測分析，各組斷面垂線數目下，其流量測定誤差均在河流流量測驗規范中的允許誤差范圍內，可見，在阿勒泰地區，在暢流期中低水時，走航式ADCP 具有一定的適用性，可用來進行水文測站的巡測。

3.2 走航式ADCP 主要誤差來源

在對走航式ADCP 進行實際應用時，對水文測驗方式影響下其誤差來源進行分析，主要為以下幾點：

（1）頂部測流盲區產生的誤差：走航式ADCP 測流時其頂部盲區一般有三個部分所組成：首先是頂部探頭進入一定水深后，不能對其上部水流的流量進行測定，存在盲區，其次是換能電磁陶片由于存在震壓，需要其余震進行有效衰減以后才能完成正常的測流。再次是由于連續的聲波脈沖之間存在一定的距離，使得信號傳輸存在一定的阻力。

（2）底部測流盲區產生的誤差：由于走航式ADCP 底部的旁瓣最先達到水體的底部，使得其主瓣不能對其水下測量區域進行完全識別。其底部的盲區一般和走航式ADCP 波束開角以及設定的水深有較大的相關性，其開角越大其底部盲區的區域面積越大，因此采用走航式ADCP 進行流量數據采集時，需要在其軟件終端設置旁瓣減少一個計算單元。

（3）岸邊測流盲區產生的誤差：走航式ADCP 不能實現河流兩個近岸邊的流量測定，存在盲區，在實際測驗過程中，兩個岸邊的水深一般較淺且干擾因素相應增多，使得走航式ADCP形成測流空白區域，此外走航式ADCP 的計算軟件需求測定到2 個以上的有效單元才能進行流量測驗，使得其水邊很難測定到流量，尤其是在高水時期。

4 結語

（1）通過流量測驗精度分析，在各站類水文站高水流量測驗時走航式ADCP 不能有效滿足流量測驗的允許誤差要求，存走在一定的不適用性，而在暢流期中低水時，走航式ADCP 其流量測定誤差均在河流流量測驗規范中的允許誤差范圍內，可用來進行阿勒泰地區部分水文站點的巡測。

（2）走航式ADCP 存在三種測流盲區，分別為頂部、底部以及岸邊測流盲區，這些測流盲區是其流量測驗儀器不確定的主要誤差來源，在進行具體流量測驗操作時，應盡量進行多個測次的流量測驗，從而取每個測次的平均值作為其流量測定值，從而減小走航式ADCP 的隨機不確定度。