走航式ADP应用于黑龙江洛古河站比测分析

吴高庄，周艳军，张 羽，王化鑫

（松辽委水文局黑龙江上游局，黑龙江 黑河 164300）

1 测站基本概况

洛古河水文站是黑龙江干流上游入口控制站，测验河段顺直长约2 000 m，基本水尺断面河槽呈W形，平水时河宽450 m、最大水深约3.0 m，汛期断面最大含沙量不超过500 g/m3，河床为卵石组成，断面冲淤变化小，水位流量关系为单一曲线，水面比降为0.02%～0.04%。

2 试验及资料收集

1）试验目的。用走航式ADP取代转子流速仪进行流量测验。黑龙江属于国际河流，测站没有缆道设施，汛期测验方法采用船载机械式转子流速仪法，在固定断面施测13条测速垂线，利用流速面积法求得流量。受外在因素的影响，测船定位存在误差，而且测验历时长，作业强度大，这种流量测验方式有待改进。

2）实验内容。使用ADP和机械式转子流速仪同时对断面进行流量测验，通过对测验成果的比较分析，找出两种测验方法的相关性，探讨用走航式ADP代替转子流速仪法测验的优缺点及解决实际应用中的疑难问题。

3）资料收集方法。机械式转子流速仪法是根据断面形状及流速沿河宽的分布特性，合理用13条垂线代替整个断面，通过施测流速、水深进而获得断面流量。走航式ADP测验方法是将ADP安装在冲锋舟特制的固定支架上，利用ADP三个探头发射的波束施测剖面流速及水深，软件自动合成流量。

3 测船性质与仪器设备

测船采用铝质，长3.0 m×宽1.5 m的冲锋舟，YAMAHA30马力的机器，吃水深度为0.30 m，行驶便捷。仪器采用美国SonTek/YSI公司生产的1.5MHZ的mini-ADP一套，该频率的ADP测量范围为：测速范围0～10 m/s、盲区0.4 m、最小单元尺寸0.25 m、最小测量深度0.90 m、最大测量深度25 m。

4 系统流量测验软件参数的选用依据与设置

系统软件采用RiverSurveyor4.31操作软件，系统参数的选用及依据见表1。

表1 系统参数选用及依据

采用SonUtils3.02仪器诊断软件，现场测验之前运行自检程序，对仪器进行内部诊断，测试电路和传感器，并查看其内部设置。

5 误差分析

1）水深和平均流速的定点测量及比测。同时使用ADP与旋桨式流速仪测量同一条垂线的“水深”和“平均流速”。两个仪器同时安装，并同时采集数据。这样做是为了使水深和平均流速达到更直接的对比。经过对采集的177个样本进行分析，结果发现87%的样本水深误差不超过±3%，另外13%的样本水深误差在±3%～±6%，考虑到用铅鱼测深方法的精度为0.10 m，这个差值可忽略不计。

经对177个样本比较，发现两种仪器所测平均流速实测的对比结果极其相近，两者流速比测绝对误差平均值为0.01m/s，相对系统误差为-2.8%，其误差在ADP与机械流速仪的测量精度范围内，两种不同方法的实测数据产生一定的相对误差在所难免，这样的误差范围是可以接受的。

2）垂线流速比测与精度分析。流速仪法进行流量测验，垂线流速测点分布采用三点法（0.2，0.6，0.8）。垂线平均流速采用公式 Vm=（V0.2+V0.6+V0.8）/3来计算。而用ADP测量的每条垂线多达10个单元以上，而且是将各单元的平均流速和经过理论补偿而得到的非实测区流速的平均来代表整条垂线的平均流速。每个单元的水深为0.25 m，在较深的河道最多可实测40多个单元。流速仪计算得到的垂线平均流速与ADP实测的垂线平均流速之间的误差，一般在5%以下。

用ADP所测断面平均流速与用传统转子流速仪测验计算得到的断面平均流速之间建立的回归方程，其回归系数R2达到0.959 7，是一个非常好的关系。其相关性见图1。

3）断面流量比测方法与精度分析。采用传统的船载机械式流速仪法和ADP进行比测。传统的方法是在固定断面施测13条测速垂线流速以及起点距，通过计算流速、面积来求得流量。ADP采用走航式在同一断面施测流量，水边距离用尼康LASER-800电子测距仪测量，测量精度为2 m。岸边系数α选用0.70，用RiverSurveyor4.31测流软件操作ADP并计算流量。ADP流量由中部平均流量、岸边估算流量、上下盲区估算流量组合而成。

下面取用洛古河站部分流量测验成果（见表2）进行比较分析。

表2 洛古河站断面流量比测精度分析

由表2可以看出：两站的流量比测误差均小于±5%，符合一类站精度要求。其中，洛古河站的14次对比实验流量的分析，其系统误差和随机不确定度分别为：-1.96%和5.92%。两种测验方法所得水位～流量关系线，见图2。

从图2可以看出：两种测验方法所测流量相对误差不大，点子分布均匀，单一线关系良好，只是在高水位94.82 m处点子的系统偏差稍大。传统的测验只取固定断面的13条代表垂线的流速和水深来进行流量计算，而ADP则通过测量所经过的整个水体各个不同流层的流速以及水深来计算流量，并且是两个测回的数据平均值。因此，ADP所测的水体范围广、代表性强、精度更高。ADP与流速仪二者之间存在着很好的相关性，从而为ADP代替流速仪测验、保证资料的延续性扫清了障碍。

4）岸边流速系数变化与选用。因为每次测验的岸边起始点都设在ADP最大限度的测深范围内，此时距岸边基本在20 m以内，岸边区的形状基本上为水深均匀变浅的斜坡岸边。根据岸边系数和断面形状对照表见表3，结合常规流速仪测验的经验，岸边系数采用0.7。

表3 岸边流速系数α值

6 结论

ADP作为一种先进的流量测量仪器，它的卓越性能已在水文系统得到了广泛的认可。通过大量比测分析试验，得出如下结论：

1）ADP与转子流速仪的单次流量测验相对误差均小于5%，符合一类精度水文站的测验要求。而且两种测验资料的相关延续性较好。走航式ADP作为一种先进的测流仪器可以满足畅流期测验的各种需求。

2）走航式ADP流量测验一个测回的时间大约需要15～30 min，3个测验人员即可完成，而传统方式的流量测验需要2～3 h，测验人员需要6人以上方可完成。传统测验需使用220马力的大船，而ADP只需使用30马力测船。因此使用ADP测验大大节省时间、人力、物力和财力。

3）ADP可采用无线遥控方式施测，控制和记录实测数据的技术人员可以在室内工作，不必担心天气等其它因素的影响。所有的测量数据全部记录并保存在计算机中，清晰而直观。测验一结束，立即可以获得整个测验过程的所有数据：流量、断面面积、断面平均流速和水道大断面等。在测量的过程中，也可以监视和分析整个测流过程的合理性，可随时观察现场测验的情况，大大提高了测验的效率和精度。

4）对于整个黑龙江流域，从额尔古纳河到黑龙江以及乌苏里江，其水深一般在3～20 m，断面含沙量不大于500 g/m3，这种水流特性非常适宜使用ADP，根据不同的水深可以选择合适频率的ADP来满足测验要求。