基于ADCP和點式流速儀的人工渠道流量測驗分析

摘 要：渠道斷面流量準確、高效測驗一直是水文測驗中的重點。采用走航式ADCP和點式流速儀對新疆某供水工程三個典型斷面進行比測，根據流量比測結果，驗證不同測驗方法的可行性，分析二者測得流速、流量的差異性。結果表明：走航式ADCP和點式流速儀測驗精度均較高，但走航式ADCP具有采集數據量大、效率高等優點，在人工渠道等大流量、大斷面的測驗中優勢顯著。

關鍵詞：ADCP；點式流速儀；流量測驗；比測

中圖分類號：TV123" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引言

流量測驗是水文工作的重要內容，對水利工程建設、管理運行、水資源調度等起著關鍵的數據支撐作用。天然河流或渠道流量的測驗方法是在待測斷面布置多條垂線，通過點式流速儀對垂線上一至多點的流速進行測量，計算出該垂線的平均流速，并根據斷面面積和相應流速乘積計算斷面流量[1-2]。隨著水文測試儀器設備的迅速發展，聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）被廣泛使用。ADCP可以快速獲取水體流速和流向的剖面分布情況，從而有效地評估水流的特性和動力學行為。相比傳統的流量測驗方法，ADCP具有更高的測量效率和精度，能夠實時采集大量的流速數據，并自動計算出流量，不僅能節省時間和人力成本，還能提供更準確、全面的流量信息。隨著ADCP的廣泛應用，其應用技巧和方式也變得多樣化。例如，可以將其安裝在船只上對海洋、河流等水域進行測量，也可以將其安裝在固定點進行長期觀測，還可以配合其他儀器設備，如水位計、溫度計等進行綜合測驗[3-5]。

ADCP通過換能器向目標水體發射聲學脈沖，脈沖回波后被換能器接收并計算出沿聲束方向的水流速和設備通過的過水斷面面積，進而計算測驗對象的流量。ADCP觀測結果影響因素較多，未經處理的測驗結果可能存在一定誤差，因此，需要對原始的測驗成果進行質量控制[6-8]。國內外對于ADCP在不同測驗環境、不同測驗對象的使用研究越來越多，一些學者對走航式ADCP觀測資料質量控制技術開展了研究[9-10]。走航式ADCP在國內測量天然河流時使用頻次較高，但是對于不同設計流量的人工渠道測驗實例較少。

本研究結合工程實際，對新疆某供水工程的典型斷面進行走航式ADCP與點式流速儀的比測工作，根據比測結果驗證ADCP的適用性和精度。兩組設備在同一斷面、同一時刻進行測驗和數據采集，分析二者之間的誤差。根據兩種儀器的實測資料，擬提出更適合人工渠道的測流方案，為不同特性的人工渠道及天然河流測驗工作提供參考依據。

1 測驗對象及方案

1.1 測驗對象

新疆某供水工程位于新疆維吾爾自治區阿爾泰山與天山之間，自北向南橫穿荒漠和戈壁，自然條件惡劣。該供水工程屬于長距離明渠輸水工程，工程沿線每間隔一定距離有測橋及公路橋，有利于研究組進行流量測驗。本文以該供水工程為研究對象，選取干渠斷面、支渠斷面和SM處（某管理處）斷面為測驗斷面，采用ADCP及點式流速儀（多點法）進行比測。因涉及工程保密信息，測驗斷面、相關數據及供水工程概況做簡化處理（見圖1）。

1.2 比測方案

2022年5月至2023年8月，分別在渠道高、中、低水位比測流量，通過現場測驗獲取走航式ADCP數據共計54測次，采用點式流速儀獲取不同垂線及不同水深測點數據約720個。為避免輸水不穩定產生的脈沖流速帶來的測量誤差，測驗時間選取供水工程輸水流量穩定期。三個測驗斷面均為該工程的重點測驗斷面，有利于研究人員進行流量測驗。比測設備主要使用“瑞譜”牌走航式河流ADCP（RDI RiverPro ADCP）及LS25-1型流速儀。分別使用兩種儀器對渠道斷面0.2倍水深、0.6倍水深和0.8倍水深的流速進行測量，以比較ADCP對流速測量的準確性。

其中，LS25-1旋槳流速儀是一種中小量程的流速儀，用于低流速河流及渠道、淺水湖庫的中、低流速測量。ADCP測驗模式分為兩種：水追蹤（GGA）和底追蹤（BTM）。水追蹤（GGA）模式下，ADCP利用聲波信號追蹤水體中的懸浮顆粒（如氣泡、粒子等），得到流速數據，適用于含沙量較高的水體。在低含沙量的情況下，信號強度較弱，可能會降低測量精度。底跟蹤（BTM）模式則通過探測水底來獲得流速數據，該模式更適合在人工渠道進行流量測驗。

2 測驗方法與質量控制

2.1 ADCP測驗方法與質量控制

2.1.1 ADCP測驗方法

ADCP利用多普勒效應原理進行流速測量，根據水體懸浮顆粒反射產生的回波形成特定的多普勒頻移[11]，再根據這些頻移獲得對應的頻率參數，可以獲得準確的流速[12]。多普勒頻移方程為式中：Fd為聲學多普勒頻移（Hz）；F為發射波頻移（Hz）；V為沿聲束方向的水流速度（m/s）；C為聲波在水中的傳播速度（m/s）。

走航式ADCP測驗方法在渠道（尤其是大流量輸水渠道）中的應用情況相對較少，難點主要在于大流量輸水渠道往往伴隨流速較大的不利情況，僅僅依靠渠道兩端測驗人員容易導致船體傾斜甚至翻船，現場測驗難度及安全風險較大。

在走航式ADCP施測過程中，共有三名測驗人員參與流量測驗，其中兩名測驗人員分別在渠道左右兩岸控制船體走航。因該工程渠道流速范圍較大（1.10～1.92 m/s），為增強船體穩定性，確保數據完整可靠，在三體船船頭處增加“牽引繩”，由第三名測驗人員控制船體方向，保證船艏方向平行于水流方向（見圖2）。本研究三個測驗斷面水深范圍為0～5.96 ｍ，處于ADCP底跟蹤（BTM）可使用的深度范圍內。在開始走航觀測前，設置ADCP的入水深度為7～15 cm。

2.1.2 盲區插補估算方法

ADCP工作時存在4個非實測區（見圖3），即盲區。4個盲區分別為水面的表層盲區、靠近河床或渠道底部的盲區以及左右兩個靠近河岸或因測船無法靠近而產生的邊部盲區。在這4個盲區范圍內，系統無法準確計算水體流速，需通過實測區數據外延進行估算[13]。

通常采用Constant（常數法）、Power （冪指函數法）等計算ADCP盲區數據，其原理為：獲取多點法實測測點的流速資料，采用概化指數流速分布公式求得。經驗公式為式中：uη為某相對水深處的測點流速（m/s）；umax為線上最大測點流速（一般由垂線水面點流速代替，m/s）；η表示相對水深；b表示冪函數指數。根據相關文獻調研，天然河流b值在1/10～1/2范圍內變化[13]，本研究b值取為1/6，進行盲區插補計算。

ADCP邊部盲區的計算式為式中：Q表示邊部流量（m3/s）；VC為邊部流速形狀系數；Vm為ADCP實測剖面流速（m/s）；L為估算剖面距水邊的距離（m）；Dm為ADCP實測剖面深度（m）。

由式（3）可知，岸邊測量的VC和L是ADCP流量測驗誤差主要來源。對于渠道測驗，兩側盲區近似于三角形，在邊部流量插補估算時，左、右岸邊部流速形狀系數VC均取0.35[13]。計算L時應考慮測船停靠位置與岸邊的距離。L和VC一定的條件下，邊部流量估算的誤差主要來源于Vm和Dm，因此，ADCP測驗開始和結束應逼近岸邊，提高起始和結束時垂線的剖面測量精度，保證邊部流量的插補精度。

2.2 點式流速儀測驗方法與質量控制

LS25-1旋槳流速儀在水文測驗中應用廣泛，其工作原理為水流帶動流速儀的旋槳運動產生轉矩，從而根據檢定的經驗公式計算流速[14]：

式中：V為測點流速（m/s）；k為旋槳水力螺距（m/r），n為流速旋槳輸出的信號頻率；c為常數；N為測量轉動次數；T為頻率系數。

為保證流速儀測量精度，在測驗過程中每個測點的測驗時間為30～60 s。由于供水渠道流速較大，特在流速儀下方安裝8 kg或15 kg水文鉛魚（根據不同流速進行配置）作為配重，以保證流速儀在測點上的穩定性。其它現場測驗方法按照《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）執行。流速儀測驗裝置見圖4。

3 結果與討論

新疆某供水工程在每年5—8月渠首段始終保持設計流量向下游輸水，三個待測斷面流量恒定，未對測驗過程產生影響。其中，該工程管理處的流量、流速測量值為雷達表面流速法、水位流量關系法、明渠流量直測裝置等多個測驗方式方法綜合后得到，數據經多年工程運行檢驗，可以認為管理處流速較為準確，因此，以該供水工程管理處測得水深、流速、流量數據為真值，進行流速、流量誤差分析。

3.1 流速測驗分析

采取走航式ADCP測驗，對數據進行處理，將斷面最大水深垂線五等分，分別測量垂線上0.2倍水深、0.6倍水深及0.8倍水深處的流速。不同水深對應流速如表1所示，測得流速數據范圍為1.126～1.912 m/s，最大流速差出現在干渠斷面的0.2倍水深處，為0.095 m/s。對比分析走航式ADCP和點式流速儀三點法的測值，可知，在相同斷面同一測點，兩種儀器的流速測值接近。對比幾組流速數據發現，走航式ADCP在接近表層（0.2倍水深）測值均比點式流速儀測值偏大，中層（0.6倍水深）流速差相對最小，測驗數據相對準確；在0.8倍水深處，二者測得數據最為接近。經測驗現場實際情況比對分析，走航式ADCP在測驗過程中受表層風生流影響較大，船體晃動導致三體船吃水深度變化，從而產生一定誤差；而點式流速儀在測驗過程中，始終保持固定測點位置，測驗結果相對穩定。因此，ADCP測驗應避開大風、降雨等惡劣天氣。

設流速數據為（xi，yi）（i=1，2，3，…，n），x為ADCP垂線流速（m/s），y為點式流速儀垂線流速（m/s），則二者關系可表示為式中：a為斜率；b為截距；R為相關系數。

采用最小二乘法進行擬合，得到兩個測驗設備測得流速的相關分析結果：

可知，點式流速儀和ADCP實測垂線流速相關系數R2為0.967 6，近似于1；二者流速擬合后得到直線斜率a為0.935 7，接近于1，截距b趨近于0，說明ADCP在人工渠道中施測得到的流速與點式流速儀測算的流速存在較好的一致性（見圖5）。

3.2 流量及誤差形成分析

由于支渠斷面流量與SM處流量接近，因此，在本節僅比較兩種測驗設備在干渠斷面與SM處斷面的流量情況。

采用點式流速儀進行測驗時，通過流速面積法計算流速。水面寬度通過卷尺現場測量，水深數據則來源于渠道斷面兩側的水尺讀數。取該供水工程管理處的測量值作為流量真值進行標準差和隨機不確定度[15]的計算。由表2可知，以干渠斷面為例，流速儀法的水深-流量關系曲線的標準差為3.92%，隨機不確定度為8.47%；ADCP測驗方法的標準差為1.29%，隨機不確定度為4.13%。分析其原因為ADCP對渠道過水斷面面積測量更為準確，而點式流速儀僅能通過現場測量對過水斷面進行估測，計算值與實際斷面面積存在一定誤差。兩種不同的流量測驗方法精度均較高，但在測驗渠道過水斷面面積較大（即渠寬和渠深較大）時，ADCP流量測驗結果更準確，測量數據結果更穩定。并且，在實際測驗過程中，ADCP的操作和測驗結果輸出方式更高效、準確。

根據測驗結果及測驗過程初步分析，ADCP的岸邊距設置誤差、水深誤差及盲區誤差是ADCP測驗過程中的主要誤差來源[16]。

以ADCP測得渠道中部流量為例，中層流量q和測驗斷面平均寬度W的計算式為

式中：vb為測船船速（m/s）；d為中層平均水深（m）。

ADCP的測驗均方差為

式中：Δt為采樣時間間隔；m為水體相對密度；f為ADCP頻率；R0為發射速率。結合式（9）—式（11）得到流量測驗的相對誤差：

由式（12）可知，測船船速是影響流量測驗精度的重要因素，因此，在測驗過程中需要根據測驗的具體目標和需求，確定合適的測驗船速。如果需要獲取斷面局部流速分布信息，則測船船速應盡可能低，以提高測量精度。其次，在岸邊距設置時應可能保證測流斷面面積準確。

對ADCP 3個測驗斷面各8個測次數據進行誤差分析，分別計算各測次的誤差和施測斷面測驗的誤差平均值（見表3）。其中，干渠斷面流量最大（約122 m3/s），流量誤差平均值相對最小（0.75%）；支渠斷面和SM處斷面流量僅為干渠斷面的1/3，其測驗誤差平均值相對有所升高，分別為1.16%和1.45%，與上述公式分析結果一致。因此，測驗對象流量及過水面積越大，流量測驗誤差相對越小，說明ADCP更適合大流量水體的測驗工作。

4 結論

（1）在人工渠道流量測驗中，對比走航式ADCP和點式流速儀多點法兩種測驗方法，結果表明：ADCP在大流量及過水面積較大的渠道中測量結果更準確，測量數據更穩定。在實際測驗過程中，ADCP的操作方式更高效，測驗結果輸出更準確。

（2）走航式ADCP測驗誤差與船速有關，測驗時應保證船速不大于流速。

（3）走航式ADCP在測驗大流量水體時誤差更小，而點式流速儀更適合小流量測驗。

（4）走航式ADCP在測驗時，需減小岸邊距設置誤差，保證測流斷面面積準確，以提高流量測驗精度。

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Analysis of Artificial Channel Flow Test Based on ADCP and Point Current Meter

XU Jinzhong1，SHI Haoyang2，DING Hao1，WANG Yang1，YANG Wei2，HUANG Minghai2

（1. Xinjiang Water Group Co.，Ltd.，Urumqi 830000，China；2. Hydraulics Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Accurate and efficient test of channel cross-section flow is the focus of hydrometry. In this study，we performed comparative tests in three typical sections of a water supply project in Xinjiang by ADCP and point current meter. According to the flow comparison data，we verified the feasibility of different test methods，and analyzed the difference in flow velocity and flow rate measured by the two methods. Results show that the accuracy of flow test by vessel-mounted ADCP and point current meter are both high. However，in test with large flow and large cross-section such as artificial channels，ADCP excels in large data collection and high efficiency，and has significant advantages in hydrometry.

Key words：ADCP；point current meter；flow test；comparative measurement

基金項目：新疆水利發展投資（集團）有限公司技術研究項目（JWYX46/2022）

作者簡介：徐進忠，男，高級工程師，本科，研究方向為水利水電工程。E-mail：49903193@qq.com

通信作者：石浩洋，男，工程師，博士研究生，研究方向為水力學及河流動力學。E-mail：1044752294@qq.com