走航式ADCP在川西北山区性河流的应用研究

2016-05-30王春华

中国高新技术企业 2016年25期

摘要：通过对走行式ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪在杂谷脑水文站和威州（二）水文站比测分析来看，相关性很好，在川西北山区性河流使用走航式ADCP代替传统的流速仪是可行的，但需要前期比测分析，率定流量系数。文章对走航式ADCP在川北山区性河流的应用进行了研究。

关键词：走航式ADCP；LS（25-1）型旋浆式流速仪；比测；川西北山区性河流文献标识码：A

中图分类号：P332 文章编号：1009-2374（2016）25-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.064

四川省西北部是岷江、大渡河青衣江的发源地，河流众多，随着社会经济建设的发展，特别是“5·12”汶川地震后，水利资源的开发、水利水电工程的建设越来越多，给传统的流量测量方式带来诸多不利影响。为了减少这些影响，在流量的测量中引进了多普勒流速剖面仪，俗称ADCP。走航式ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪相比，因其测流时间短、操作简单，具有明显的优势。本文选取了岷江的一级支流杂谷脑河的控制站杂谷脑水文站和岷江上游的控制站威州（二）水文站进行走航式ADCP流量数据的比测分析，为该类仪器在川西北山区性河流的应用推广奠定基础。

1 走航式ADCP基本原理简介

ADCP是一个包括由ADCP换能器、操作软件系统、计算机及连接设备等组成的测流系统，与传统的人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量的基本原理一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速，从而得到垂线平均流速，但ADCP所测的垂线可以很多，每条垂线上的测点也很多。二者之间还是有一些不同之处：

第一，传统方法是静态方法。无论是人工船测、缆道测量等，仪器总是固定于所测垂线上进行测量，而ADCP是动态测量方法。ADCP在随测量船只运动过程中进行测量。

第二，传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸。ADCP测量过程中不要求测流断面垂直于河岸。船的航行轨迹可以是斜线或曲线。

2 比测试验

选取了四川省阿坝州水文水资源勘测局的两个水文站进行比测试验，分别是杂谷脑水文站和威州（二）水文站，它们是岷江上游及其支流的控制站，其地理位置、河道特性、水流特征都是川西北山区性河流的典型，具有良好的代表性。

2.1 测站基本情况

杂谷脑水文站为岷江上游一级支流杂谷脑河控制站，地理坐标：东经103°09′，北纬31°26′。测验河段顺直，控制条件较好，河床由块石和沙卵石组成。基本断面下游150m左右为公路桥，形成卡口，为高水控制，中低水为河槽控制。由于受上游电站调节和下游公路桥墩的严重影响，使河床冲淤变化频繁。洪水特性表现为：涨洪历时短，退水历时长；一次涨水过程一般为3～7天，峰顶历时0.5～1h。

威州（二）水文站为岷江上游控制站，位于东经103°33′，北纬31°27′，测验河段顺直长约700m，上窄下宽，略呈喇叭形，河床由卵石组成，两岸为人工河堤。基下约600m处有弯道，高水为弯道控制，中、低水为河槽控制。洪水过程线形状，多为单峰，峰形较为肥胖，峰顶持续时间一般为2～6h，部分为复式洪峰，一次洪水过程多在5d以上，最长的可达10余天，洪水的地区分布主要为上游来水型。

2.2 分析目的

通过对走航式ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪的比测，分析两种仪器的相关性，研究走航式ADCP能否在川西北山区性河流代替传统的LS25-1型旋桨式流速仪的使用。

2.3 比测方案

LS25-1型旋桨式流速仪按照各水文站的流量测量测方案施测，走航式ADCP按照《声学多普勒流量测验规范》进行两个测回测得断面流量，计算所测流量的算术平均值，每半测回的流量值与平均值的偏差最大不超过±5%。由于受到所选两个水文站附近电站的影响，水位变化频繁，不能按常规比测方式进行，本次比测为LS25-1型旋桨式流速仪与走航式ADCP交替施测流量，以LS25-1型旋桨式流速仪测出的流量定出水位流量关系曲线，再把ADCP施测的流量与相同水位的线上流量建立相关性。

2.4 使用的仪器和软件

杂谷脑水文站使用河流“瑞智”型600kHz相控阵ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪比测；威州（二）水文站使用“瑞江”1200kHz型ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪比测。采用RDI公司的WinRiver Ⅱ软件。

3 资料的整理及分析

3.1 资料可靠性分析

走航式ADCP各设备按照技术要求安装在三体船上，测量时采用缆道牵引三体船匀速在水面运动，横向测量。本次在两个水文站收集的ADCP流量资料都进行至少两个测回施测，每半个测回流量值与平均值的偏差都在±5%范围内。

杂谷脑水文站从2011年7月23日至10月20日使用走航式ADCP共收集11份流量资料，每半个测回流量值与流量平均值的偏差最大的是第8号流量，偏差为-3.32%～3.91%。本站测得水位变幅0.75m（1830.58～1831.33m），最小流量为47.5m3/s，最大流量为132m3/s。

威州（二）水文站从2012年1月17日至10月30日使用走航式ADCP共收集18份流量资料，每半个测回流量值与流量平均值的偏差最大的是第6号流量，偏差为-4.69%～4.82%。本站测得水位变幅3.03m（1307.67～1310.70m），最小流量为79.3m3/s，最大流量为829m3/s。

本次收集的资料严格按照各测验规范操作，流量测点分布于各级水位，具有广泛的代表性，是真实可靠的。

3.2 水位流量关系曲线的检验和误差分析

杂谷脑水文站用LS25-1型旋桨式流速仪共收集资料44份，定出一条水位流量关系曲线，进行的三种检验：符号检验合格，适线检验免检，偏离数值检验合格，标准差为2.2%，系统误差为-0.2%。

威州（二）水文站用LS25-1型旋桨式流速仪共收集资料80份，定出两条水位流量关系曲线，进行的三种检验：符号检验合格，适线检验免检，偏离数值检验合格，一线标准差为2.5%，系统误差为0.2%，二线标准差为1.6%，系统误差为0.0%。

3.3 相关性分析

以走航式ADCP测得流量为横坐标，以线上流量为纵坐标建立直线相关，直线过原点。杂谷脑水文站ADCP测得流量与流速仪定线的线上流量相关关系很好，相关系数为0.9990，直线斜率为0.8816，其相关公式为y=0.8816x。

威州（二）水文站ADCP测得流量与流速仪定线的线上流量相关关系很好，相关系数为0.9981，直线斜率为0.9388。其相关公式为y=0.9388x。

3.4 走航式ADCP测得流量与线上流量的检验和误差分析

走航式ADCP测得流量与线上流量相比，偏差非常大，杂谷脑水文站的偏差在11.3%～15.3%之间，平均偏差为13.5%；威州（二）水文站的偏差在3.7%～10.6%之间，平均偏差为7.4%。但用各自的相关公式计算后，效果较好。以线上流量为准，对相关公式计算后的ADCP流量数据做三种检验：杂谷脑水文站的符号检验合格，适线检验免检，偏离数值检验合格，标准差为1.1%，系统误差为0.0%；威州（二）水文站的符号检验合格，适线检验合格，偏离数值检验合格，标准差为2.4%，系统误差为0.8%。

4 存在的问题

第一，由于本次分析所选的两个水文站受到附近电站的影响，水位变化频繁，无法做到走航式ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪同时测验，不能直接与之建立相关关系，未能对水深、面积和流速做进一步分析。

第二，川西北山区性河流的流速较大，在操作走航式ADCP三体船时，船体容易被打翻，需要谨慎操作，掌握好三体船迎水面与水流的夹角。

第三，走航式ADCP比较实用于漂浮少、含沙量低的平水期和枯水期，对于涨水期，河面漂浮物比较多，含沙量高，对走航式ADCP存在诸多安全隐患，并且测量精度不高。

5 结论及建议

5.1 结论

通过在杂谷脑水文站和威州（二）水文站对走航式ADCP与LS25-1型旋桨式流速仪法比测分析来看，本次分析所采用的资料真实可靠，符合《河流流量测验规范》（GB 50179-93）和《水文测验及资料整编补充规定》（SCSW001-2002）等相关规程规范要求；收集时间较长，能较好地反映各个水位级流量变化趋势；分析过程完整，误差较小。可以得出以下主要结论：

第一，本次使用的两款走航式ADCP在川西北山区性河流的使用时，测流时间短、操作简单、稳定性好，每半个测回流量值与平均值的偏差都在±5%范围内，符合《声学多普勒流量测验规范》要求。

第二，从它们的相关性来看，他们的相关关系很好，杂谷脑水文站的相关系数为0.9990，威州（二）水文站的相关系数为0.9981，在川西北山区性河流使用走航式ADCP是可行的。

第三，从相关公式来看，杂谷脑水文站的直线斜率分别为0.8816，威州（二）水文站的直线斜率为0.9388，要在川西北山区性河流使用走航式ADCP需要前期数据的比测分析，率定流量系数。

5.2 建议

由于在杂谷脑水文站与威州（二）水文站对走航式ADCP比测数据分析来看，存在流量系数，对该系数的使用有以下建议：

第一，该系数的使用与分析范围应基本一致。向上延长的幅度在系数基本稳定时，一般不得超过系数分析时流量变幅或水位变幅的20%；向下延长的幅度在系数基本稳定时，一般不得超过系数分析时流量变幅或水位变幅的10%。当系数使用范围超过允许的外延幅度时，应根据测站特性，经综合比较分析，确定相关系数。

第二，该系数使用时间，一般为5～8年，超过此年限应重新分析。在使用期，每年应进行不低于5次的与流速仪同时比测成果比较，否则应重新分析。

参考文献

[1] 声学多普勒流量测验规范（SL337-2006）[S].

[2] 河流流量测验规范（GB 50179-93）[S].

[3] 水文资料整编规范（SL247-1999）[S].

[4] 水文测验及资料整编补充规定（SCSW001-2002）[S].