微型ADCP在流量測驗與資料整編中的應用

楊冶

（遼寧省鞍山水文局，遼寧鞍山114036）

1 測站概況

立山（四）水文站處于遼河流域、太子河水系。流量測驗斷面設立于鞍山市鐵西區城昂堡村，河道測驗順直長度約500 m，呈單式河槽，基本斷面以上共有上石橋水庫、判甲爐污水處理廠、東臺攔河閘等18 處水利工程,以及4 處自動翻板閘。由于受上游水利工程及洪水期自動翻板閘門頻繁開關影響，基本斷面水位變動較大。特別是洪水期間，水位暴漲暴落，普通轉子式流速儀測驗繁瑣耗時長，導致測驗流量結果誤差大，隨之影響相關水文資料整編工作。

1960年發生歷史最大洪水，最大流量1 090 m3/s，最大流速4.55 m/s，最高水位27.89 m。2012 年下遷斷面8 km 到鐵西區城昂堡村，同年發生較大洪水，最大流量472 m3/s，最大流速1.91 m/s，最高水位19.09 m。

2 微型 ADCP 介紹

隨著城市的發展與規劃，普通傳統流速儀測驗已經難以滿足使用要求，而近些年來新型測驗設備ADCP憑借自身優勢，已經應用于日常測驗當中。

2.1 工作原理

聲學多普勒流速儀，利用聲波在水中的傳播來測量水中各點或某一剖面的水流速度。根據多普勒頻移，當頻率為F1的振源與觀察者之間相對運動時，觀察者接收到來自振源的輻射波頻率將是F′。鑒于觀察者與振源兩者之間存在相對運動而產生的接收信號相對于振源頻率的頻移現象則稱之為多普勒效應，通過此頻移進而測出物體的運動速度。在作業時，由測量儀器發出輻射波，再接收由測物體產生的反射波，測出頻移，算出速度。

微型ADCP 屬于聲學多普勒流量計其中一種。在其測得流速分布的同時，期間ADCP測深儀測得走航斷面的各位置水深數據，河底跟蹤同步測得各垂線的地理坐標。通過藍牙連接在ADCP 電腦上，直接顯示走航斷面實時流速分布和流量匯總結果。水面流量、河底流量及岸邊測不到流速的盲區區域，采用按流量測驗規范比測驗證的經驗系數，計算盲區區域的流量值，最終計算出流量結果。

2.2 優勢

1）測驗時間縮短：微型ADCP 采用動態測量，測船移動中不間斷發射脈沖測量；普通傳統流速儀1 條垂線多點施測，常規1 點測100 s 以上，需測量多測點、多條垂線，計算流量。

2）測驗機動靈活：傳統流速儀斷面要垂直于水流方向，應根據不同水深、流速選擇不同類型的流速儀；微型ADCP 的測驗軌跡是隨機的曲線，流速測量范圍±7.2 m/s。

3）計算方便快捷：微型ADCP 斷面流速、面積同步測量，主動消除回流等因素影響，通過計算機軟件直接計算流量；而傳統流速儀需要將流速與斷面面積分別計算，再累加各部分流量后，最終求得測驗結果。

2.3 局限性

1）ADCP 利用聲波作為傳導，當測驗過程中水體高含沙或河底走沙時，水體吸收聲波能力增強，致使接收回波強度明顯減弱，導致底跟蹤、水深測量失效，最終無法完成一次流量測驗。

2）受測驗環境影響，非實測區（表層、底層、左右岸邊區）面積與實測區面積的比值過大造成測驗誤差加大。

3）人為操作測船速度超過水流速度過大造成測驗誤差。

3 微型ADCP 與傳統流速儀比測

3.1 比測斷面、測次選擇

為控制比測斷面變化而影響比測精度，選擇在立山水文站基本斷面以上5 m（流速儀測流斷面）作為此次比測斷面。河道順直長500 m，測驗斷面為單式河槽，左右岸兩側均為水深均勻地變淺至零的斜坡岸邊，河床主要由沙石、沙壤土組成，斷面沖淤變化較小，較穩定，無橫比降。

考慮到微型ADCP 工作原理，避免水流紊流、水面波浪、剪切流、河底推移質、極慢流速等不利因素所產生的誤差，選擇在河流穩定，含沙量較小或無沙時進行比測。

3.2 比測方案

采用的微型ADCP是TRDI公司新一代產品，最小單元長2 cm，最大剖面深4 m，流速量程±7.2 m/s，精度±1.0% ± 0.2 cm/s，分辨率 1 mm/s。測驗時，完全遵照《聲學多普勒流量測驗規范》走航式流量測驗要求：首先固定微型ADCP，然后釋放拖繩，保持儀器到達比測斷面后，鎖定托繩，保持儀器在流速儀測流斷面，人工拖動ADCP，從開始河岸測至結束河岸，測驗兩個測回，水邊距離采用光學測距儀測量，滿足取得2 次測回流量的平均值，作為微型ADCP 測量結果。測驗過程中，控制單次測回流量誤差在小于5%以內，當結束測量，計算后發現超差，增加測回，保證最終ADCP 測量結果在誤差允許范圍內。

流速儀測驗則按照《河流流量測驗規范》，選擇按規定檢定、校核并符合當時測驗條件的流速儀。嚴格按照規范要求測寬、測深，測速采用兩點法（0.2，0.8），單點測驗歷時超過100 s，并根據水位變化及時調整垂線條數，減小測驗誤差。

4 比測結果與分析

4.1 單次測驗精度分析

鑒于微型ADCP 使用局限性，以及測驗環境影響，共取得比測結果30 次，見表1。結果顯示：ADCP 實測流量結果誤差小于規范要求5%，結果均可以采用。

表1 ADCP與流速儀精測方法比測結果統計

4.2 整編精度分析

將參與計算水位流量關系曲線的流速儀實測流量值，采用同次ADCP 測驗結果替換，重新與高水高沙流速儀測點進行水位流量關系曲線檢驗，按照《河流流量測驗規范》《水文資料整編規范》要求進行精度分析、3 種檢驗，分析結果見表2。結果顯示，系統誤差及3 種檢驗均通過。

表2 ADCP 比測水位~流量關系曲線檢驗計算表

4.3 洪水總量分析

將使用ADCP 測驗結果確定的水位流量關系曲線，與同時期流速儀實測流量確定的水位流量關系曲線，對 2020 年 5 月 18 日、6 月 16 日洪水總量進行分析，誤差均小于規范要求一次水量允許誤差6%，整編成果完全符合并滿足推流要求，結果見表3。

表3 ADCP 比測洪水總量結果統計表

5 結語

微型ADCP 流速儀作為一種先進的河道斷面流量測量儀器，相比于傳統轉子式流速儀，具有機動靈活，操作方便，工作穩定，維護次數少，測驗速度快捷等諸多優點。通過比測分析，微型ADCP在條件允許的情況下，可以作為替代傳統流速儀測驗的新方式，在保證測驗、整編成果精度的同時，還可以有效地提高測驗效率、降低測站工作強度。隨著技術不斷發展，高精度ADCP 將會在解決洪澇災害、水資源可持續利用開發等一系列問題中得到廣泛應用。