走航式宽带ADCP洪水测验研究

（辽宁省盘锦水文局，辽宁盘锦124030）

走航式宽带ADCP洪水测验研究

王凤艳，王维志

（辽宁省盘锦水文局，辽宁盘锦124030）

应用走航式宽带ADCP在辽河洪水期间进行流量测验，获取多次实测流量数据，与同步流速仪法测得的流量对比分析，评价此型ADCP用于洪水测验的可行性和可靠性。通过数据对比，可以看出该型ADCP适合于洪水流量测验，并且在洪水测验过程发挥出此仪器稳定性好、精度高、速度快、成果可靠等特点。

宽带ADCP；洪水流量测验；成果分析

受降水影响，辽河干流于2010年7月发生较大洪水。由于辽河盘山站测验断面布设在辽河大桥上，用传统的流速仪法施测洪水流量，存在仪器悬吊绳索长、仪器入水位置难于控制等影响测验精度问题。为解决这些问题，并且保证及时、准确地测量到盘山站洪水过程和洪峰流量，应用走航式ADCP设备进行流量测验。

但是做为走航式ADCP在实际测验中，多用于流速较小、冲淤变化不大的中低水水流情势。对于高水位、大流速的洪水测验，还存在一些不确定因素，测验误差是否满足规范要求不是很清楚。通过对洪水流量的实际测验，与流速仪测验数据进行对比，对两组实测流量的误差进行分析，研究走航式宽带ADCP用于大洪水测验的可行性和可靠性。

1 走航式宽带ADCP介绍

ADCP，全称声学多普勒流速剖面仪，此次应用的是美国RDI公司生产、频率为600kHz走航式声学多普勒流速剖面仪，又称宽带ADCP。它配备4个换能器，每个换能器与ADCP轴线成一定的夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。利用声学原理，ADCP向水体发射固定频率的声波，这些声波碰到水体中悬浮的且随水体运动的颗粒物后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河床发射底跟踪声波，测出ADCP的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速（安装ADCP平台的移动速度）得到水流的绝对速度。

根据多普勒频移方程：

式中：Fd——声学多普勒频移；F——发射波频移；V——沿声束方向的水流速度；C——声波在水中的传播速度。

发射波频移F已知，只要测定声速C和声学多普勒频移Fd，即可计算出水流速度V。

宽带ADCP是指声信号发射、接收和处理方法与窄带不同，宽带ADCP对于每一点的流速测量，发射2组或更多组脉冲波，利用脉冲波组之间的相关系数及相位差来计算多普勒频移，其测量时短期误差小,空间和时间分辨率较高。

盘山水文站所用ADCP为宽带走航式，采用无线发射方式，主要技术参数为：工作频率600 kHz，换能器发射角20°，工作电压12V，测速范围0.01～20m/s，测深范围0.70～75.0m。

2 测验断面情况

辽河由盘山县沙岭镇六间房村进入盘锦市境内，又称双台子河，经盘锦市大洼县入海。盘锦境内流域面积2526km2，河长102.8km。

盘山水文站位于盘锦市双台子区建设街道南迁社区，是辽河下游控制站，为国家基本站，集水面积为1.38万km2，测验项目有水位、流量等。测验断面总宽1190m，其中主河道宽约280m。河道左右岸均为混凝土衬砌大堤，河床有冲淤变化。测流断面设于双台子河大桥下游50m，距入海口62 km。中、低水主河道宽约260m，水位达到6.0m时，河水漫过套堤，水面宽可达1100m。

3 洪水情况

辽河铁岭以上部分支流，受7月19日18时至22日8时强降水影响，发生大洪水，辽河干流发生中等洪水。此次洪水来势快，持续时间长，从上游到下游各站洪峰流量及峰现时间情况见表1。

表1 辽河各站洪峰流量及峰现时间表

4 流量测验情况

4.1 ADCP参数设置

根据历史资料，盘山水文站测流断面宽260m，最大水深近5m，断面平均流速在0.5～1.4m/s之间。结合此次洪水发生时盘山水文站测流断面情况、水流情势，ADCP主要参数设置为：水跟踪发射次数为4；底跟踪发射次数为4；水深单元个数16个；盐度为0；盲区为0.25m，水深单元高度0.50m；测流模式为1，左、右岸边流速系数均为0.7；最大水深6.0m；最大流速2.0m/s；上下盲区流量采用幂函数流速剖面方法外推，幂指数为0.1667。

4.2 施测方法

人员在桥面上用绳索将ADCP固定后悬吊于河水中，测量人员于桥面上控制ADCP的行进速度。每次流量施测1个来回，即2个测次，需要10～15min。在测验过程中，起始及终了位置通过事先在桥面已做好的标志定位。正式开始采集数据过程中，保证测船在洪水中避开漂浮物、平稳行进，保持船速小于平均流速，使船速和航向不发生突变，防止出现较大误差，获取准确的测量结果。控制每个测回往返流量误差在±5．0%以内，若超过则追加1个测回。最后以在误差范围内的测次的算术平均值作为最终ADCP流量测验值。

5 流量成果分析

1）对2次洪水过程进行了9次流量测验，水位变幅为2.31m，最大流量为1430m3/s，最小流量为444m3/s。以流速仪流量为基准，计算2种方法测得流量的误差，情况见表2。

2）在洪水期间，应用流速仪进行了同步施测。通过对2种方法施测的流量进行对比分析，流量误差在±0.2%～±5.0%之间，全部符合规范要求。以2种方法各自计算7月26日至8月19日水量，流速仪法施测流量推算出水量为21.4亿m3，以ADCP法施测流量推算同期水量为21.2亿m3，两者相差仅为0.9%。

6 结语

应用走航式宽带ADCP对辽河洪水过程进行流量施测，采集到9次实测流量数据，与流速仪同期测验数据对比，2种方法测得流量最大差未超过5%。说明带宽为600kHz的走航式宽带ADCP，在施测大洪水时，只要正确设置仪器测验参数，严格按照规范流程进行操作，完全能够满足大洪水流量测验，并且可以充分发挥其稳定性好、精度高、速度快等特点。

［1］SL337-2006，声学多普勒流量测验规范［S］.北京：中国水利水电出版社.

［2］SL247-2012，水文资料整编规范［S］.北京：中国水利水电出版社.

［3］田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用［M］.郑州：黄河水利出版社.

［4］丁克亮，唐山红.走航式ADCP在2003年淮河大洪水中的应用［J］.安徽水利科技，2003（3）.

［5］韩灯亮，戴善进.走航式ADCP在博罗（二）水文站应用［J］.广东水利水电，2010（1）.

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