走航式ADCP在水文流量測驗中的應用分析

毛震宇

摘要：隨著我國經濟社會的不斷發展，在很大程度上推動了科學技術的飛速進步，極大地促進了走航式ADCP的發展，其自身有著較高的精確度，而且在水文流量測驗中進行應用，能夠促使測量成果的真實性及其有效性得以切實提升。本文首先簡要概述了走航式ADCP與傳統流速儀的不同之處，并基于此以實際工作情況在水文測驗中的應用及其質量控制措施進行了研究與探討，僅供參考。

關鍵詞：走航式ADCP水文流量測驗應用

Application Analysis of Navigation ADCP in Hydrological Flow Test

MAO ZhenYu

Hunan Changde Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Changde ，Hunan Province 415130 China

Abstract： With the continuous development of China's economy and society， it promotes the rapid progress of science and technology to a large extent， and greatly promotes the development of navigation ADCP. It has a high accuracy， and applies in the hydrological flow test， which can promote the authenticity and effectiveness of the measurement results.This paper briefly summarizes the differences between the navigation ADCP and the application and quality control measures for reference only.

Key Words： Navigation type ADCP; Hydrology; Flow test; Application

在水文流量測驗中，傳統的測驗設備在實際應用期間數據誤差比較大，操作上不夠簡單便利，因此難以切實提高整個水文流量測驗工作的質量及其效率，所以，逐漸無法與時代的發展相適應。而走航式ADCP因其自身科學技術水平比較高，而且有著較高的數據采集效率、操作簡單便利、效率高等特點。

1 走航式ADCP與傳統流速儀的不同之處

與傳統的流速儀相比較，ADCP方法有以下不同點。（1）傳統的轉子式流速儀法是靜態法，流速儀是固定在測點的;而ADCP是動態化的，能夠隨著測船運動的過程中開展測驗。（2）在對傳統的轉子式流速儀法進行應用采樣時，一般不會將子斷面劃分得很細，垂線流速的測量點也不可能有很多;而ADCP因其有著非常高的采樣速率，能夠將子斷面劃分得很細，垂線流速的測量點也可以有很多，相當于許多臺流速儀同時開展測量。（3）在對傳統的轉子流速儀進行應用期間，往往要求測流斷面與河岸垂直，而ADCP方法對此沒有作出特別要求，測船的航跡來可以為曲線，也可以為斜線。（4）傳統流速儀法需現場進行手工記錄與計算，之后再對測驗成果進行繪制，ADCP測驗成果能夠實現聯機存儲，在很大程度上促使水文測驗工作的現代化水平得以有效提高。

2 比測分析

2.1案例實際情況

本文以某水文站為例對傳統流速儀和ADCP的比測分析進行開展。本文資料收集的時間段為2019年5～7月，2020年6～9月。在此期間，該水文站受上游來水及水庫開閘泄洪的影響，有幾次主要的洪水過程。其中，比測期間最高水位61.35m，出現在2020年9月17日，最低水位50.33m，出現在2020年7月31日。該站流量測驗采用纜道流速儀法和ADCP走航式，而且考慮到高水位級時該站水流含沙量較大、漂浮物多、波浪較高等因素，采用纜道流速儀法流量和走航式ADCP成果作為標準值。在比測過程中，兩種測量儀器很難做到同步比測，即同次流量同步開始和同步結束，或同一條垂線開始和結束。為保證資料收集的準確性，應保證如下幾點：第一，纜道流速儀和ADCP兩套流量測驗儀器盡可能地在相同或相近時間進行流量測驗;第二，兩套測流設備測速垂線基本布設一致，斷面均采用流速儀測流斷面，盡可能地消除其他因素在資料收集階段引起的干擾，保證流量的可靠性。經過數據合理性分析，樣本數據共收集58次纜道流速儀法和ADCP與纜道雷達波在線測流系統的比測資料。

2.2水位流量關系曲線繪制與檢驗

根據實測的58次流量資料，對水位流量關系進行了率定，并進行了三線檢驗，如圖1所示。

檢驗結果見下表1。根據《水文資料整編規范》（SL247-2012）中水位流量關系定線精度指標表。該站流量屬一類精度水文站，則定線誤差應滿足：系統誤差≤±1%，隨機不確定度≤8。定線滿足精度要求。

2.3結果總結

經過數據合理性分析，對收集的數據進行初篩，參與本次比率測定分析的共有58組數據，纜道流速儀法和ADCP實測流量變幅為5020～19200m3/s，斷面平均流速變幅1.32～3.20m/s，水位變幅54.33～61.28m。按該站水位分級：56.30m以上為高水;51.39～56.30m為中水，比測資料覆蓋中、高水位級。

走航式ADCP是一種先進的、技術含量高的測流儀器，具有日常運行成本低，維護少，快捷、實時、準確等優點，設備在比測分析期間運行穩定，數據正常，并對外界抗干擾能力較強。同時，能夠有效地解決該站纜道流速儀法施測過程中的安全隱患。

綜上所述，該站主要的設站目的是為下游某市防汛提供高洪流量水情信息，該站是水電站的出庫站。通過比測分析走航式ADCP測流系統滿足各項水文規范要求，該系統可以在中、高水位級投產使用，并作為常規的流量測驗方案。

3 測驗主要誤差控制分析

走航式ADCP的應用，能夠在很大程度上為水利工程的科學調度、防汛抗旱及水生態環境的治理等各項工作提供有效的水文方面的信息[1]。在實際應用期間依然存在著一定的誤差，應對其進行有效控制，具體如下。

3.1系統誤差的質量控制工作

（1）水流中的含沙量會極大地影響到ADCP的使用效果。在含沙量比較高的河流之中，頻率比較高的ADCP設備是不適用的，因為水流含沙量越高，水深測量與河底跟蹤失效的幾率就會越大[2]。而在對低頻率的ADCP設備進行應用來測量含沙量比較高的河流時，河流不能過淺，否則也是不適用的，不能對窄帶的ADCP進行應用。與寬帶ADCP相比較，窄帶ADCP在深淺狀態下都是比較適用的。假如河流的含沙量比較高而且河流過淺無法對ADCP進行應用，船速可用差分GPS進行測量，并可對測深儀進行利用來測量水深[3]。

（2）推移質運動會對河底跟蹤測量的精確度產生直接性的影響。假如水流的速度十分快，河底的泥沙就會隨之形成推移質。對GPS進行利用來對船速進行測量的時候，應最大限度地減少對推移質運動產生影響[4]。

（3）其他影響因素。對于岸邊形狀、岸邊流量系數可以經過實地斷面測量和岸面流速分布試驗，與相關規定相結合來對可靠的參數進行獲取;對比測深測寬設備應對其進行校準;對盲區的流速應經過分析對其進行精準地插補;等等。

3.2隨機誤差的質量控制工作

（1）對科學合理的工作模式進行有效選擇。ADCP有很多種工作模式，不同型號發射與處理形式也會對其精度產生不同的影響。例如，寬帶模式的流速測量有著剖面深度較大、范圍寬、精確度高的優勢，但其僅在絕大部分的正常情況下適用[5]。

（2）內羅經校準。走航式ADCP主要是與羅經提供的磁方位角與各個聲束多普勒頻移相結合來對實際的航跡進行計算，但是內羅經所提供的磁方位角在方向上存在一定的誤差，所以需要校準。

4 走航式ADCP水文流量測驗過程質量控制措施

4.1做好出庫前的檢查工作

為了能夠促使走航式ADCP運行的正常性得以保證，需要開展預檢工作。出庫的時候應與設備清單進行對照，對所需要攜帶的各種器件有無遺漏進行檢查;然后對電源進行接通，使ADCP能夠和計算機相連，并對無線電臺信號進行調試，檢查軟件系統能夠正常運行[6]。

4.2現場儀器的安裝

走航式ADCP通常需要在非鐵磁三體船的支架上進行安裝，換能器需要浸入到水深10cm左右，避免其露出水面或者產生空蝕的問題;測流斷面河底假如有砂粒運動的，需要對GPS設備進行安裝來對船速進行測量;如果對最大的水深無法進行測量的時候，需要對測深儀進行安裝來對其水深進行測量。

4.3流量測驗

在進行測流工作前期，在操作系統之上應對斷面的位置、測量日期等相關的基礎性信息進行錄入，對測驗的始終點距離河岸的距離、岸邊流速系數等數據信息進行輸入。如果每半測回流量值與平均值的偏差超過了5%，應具體問題具體分析，并對其進行重新測量。斷面流量主要涉及到直接測出的部分流量、兩岸盲區的流量及岸邊的流量。

4.4做好入庫相應的維護工作

在水文流量測驗工作結束之后，應與維護的有關要求相結合，對儀器的換能器進行沖洗。供電系統應按照有關規定對其做好相應的保養工作，野外作業應防止傳感器長期處于暴曬環境中;探頭的表面如果有附著物的，應對其維護工作進行謹慎開展，如其有較深的劃痕或者是裂痕存在，應對其測驗精度是否會受到影響進行檢驗;如果防腐蝕部件存在嚴重的腐蝕問題，應對新的部件進行及時地更換。

5 結語

走航式ADCP在受沖淤影響、報訊任務比較大的測站中比較適用，應與不同的河流特性相結合來對不同型號ADCP進行選擇，其所具有的優勢能夠在很大程度上適應現代水文對于高標準、高效率、高精度方面的要求，有著廣闊的發展前景。在實際應用期間，會發現一系列的問題，通過開展相應的分析與實踐能夠及時獲取問題的解決方法，并將理論與實踐結合起來，促使ADCP更好地應用于水文測驗工作之中，為今后防汛抗旱及水資源的可持續利用打下堅實基礎。

參考文獻

[1]梁思達.多通道超聲波流速儀的設計與研究[D].北京：華北電力大學，2021.

[2]賀依韜，馬騰.基于SARIMA模型的月徑流量預測[J].科技資訊，2020（6）：42-43，45.

[3]熊文慧.舞陽水文局水文巡測方案[J].河南水利與南水北調，2021，50（11）：20-23.

[4]張曦明，李建平，張景.便攜式充電機械手驅動的簡易水文測驗纜道技術[J].科技創新導報，2020（14）：42，44.

[5]朱宇，李暢，楊丹陽.走航式ADCP在水文站的應用分析[J].現代農業研究，2021，27（9）：153-154.

[6]劉開春.ADCP測驗成果在測速垂線優化中的應用[J].中國防汛抗旱，2021，31（8）：46-49.