基于ADCP测量悬移质含沙量的实验研究

郭 凯，刘 亮，柯 达，胡 纲

(1.长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局，南京 210011；2.交通运输部天津水运工程科学研究所， 天津 300456；3.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456)

目前长江流域的各水文大站，基本都采用了ADCP进行流量测验，准确、快捷。然而，如何提高输沙率测验效率一直是个难题。

传统的测验方法是在具有代表性的垂线上分层测流、同步取样，然后进行室内试验、分析计算得到断面的输沙率，这种方式存在费用高、周期长、自动化程度低等缺点，制约着水文泥沙测验现代化的发展。

近年来出现了多种泥沙实时在线监测仪器，如OBS 、LISST等，但也只能采集单点含沙量，除能连续记录数据外，与常规采样器相比并无本质上的优势，而且同样需要现场率定[1-4]。

图1 声呐方程包含项示意图Fig.1 Sketch of sonar equation inclusion term

经分析发现，ADCP数据中含有声反向散射信号，能用来计算出悬移质含量，进而求得整个断面的输沙率。若本技术可行，不仅可以大幅度的减轻工作量、减少投入、保障安全，而且可以在同等条件下得到更多的系列资料，丰富水文测验成果[5-8]。

1 ADCP测沙原理

1.1 基本原理

从ADCP测流原理[9]可知，ADCP输出数据中含有的声反向散射信息，使ADCP具备了“观测”(计算)整个垂线(定点测量)或断面(走航测量)的悬移质含量的潜力。

由声反向散射信号(ABS)计算悬移质含量(SSC)的方法是以小颗粒的声散射声呐方程为基础的。声呐方程[9](Urick, 1975)的简化形式包含的项有声传播区、散射强度区、声源电平等，如图1所示。

实际应用中，要获取声源的所有特征是不可能的，因此，简化声呐方程的指数形式[10]

SSCestimates=10(A+B×RB)

(1)

式中：SSCestimates为计算的悬移质含量。

式(1)的指数项包括：测量的相对声反向散射量RB、表示截距A和斜率B的项，相对反向散射是在传感器处测量的回声电平与双向传输损失之和。截距和斜率可通过对同一个半对数面上同时测得的声反向散射信号(ABS)和已知的悬移质含量观测值(SSCmeas)进行回归分析确定，形式是lg(SSCmeas)=A+B×RB。

1.2 ADCP声学测沙方法的优势

(1)不受生物污染，这一点在河口流域尤其重要；(2)不影响水流结构(非侵入式)；(3)采集的信号以水深分层，可得到整个剖面的序列资料；(4)应用ADCP，流量与含沙量同步获取。

1.3 ADCP声学测沙理论局限性

虽然利用声学方法计算悬移质含量有诸多优势，但理论上尚存在如下局限：

(1)单频仪器无法区分是水体含沙量还是颗粒粒径分布发生了变化，可以通过取少量水样进行实验室分析；(2)“声学方法测沙”的理论基础是瑞利散射模型，该模型严格限于周长与波长的比率小于1的颗粒，一般适合颗粒在几十到几百微米之间。

2 实验研究

2.1 测站断面布设

选取大通水文站作为实验研究站点，其位置如图2所示，水文断面见图3，河槽左起点距260～500 m间河床由细沙组成，高洪时有3 m左右的冲淤；河槽中部起点距500～1 590 m河床为砂土，比左岸略粗，高洪时有冲有淤。起点距1 670～1 800 m间为礁板，礁板上分布有少量砂砾、卵石，河床稳定。

据历年水文年鉴资料统计，大通水文站断面颗粒级配90%小于125 μm，颗粒适中，符合瑞利散射模型，因此具备了“声学方法测沙”研究的理论基础。

图2 大通水文断面所在位置示意图Fig.2 Sketch of location of Datong hydrographic section图3 大通水文断面形态及垂线分布图Fig.3 Sketch of morphology and vertical distribution of Datong hydrographic section

2.2 现场实施方法

(1)采用ADCP在水文测验断面上进行日常的流量测验工作；(2)测流结束后，测船在固定垂线处抛锚取样。大通站选取起点距为1 050 m(如图3中6#所示)处作为固定垂线，采用2 000 ml的横式采样器，按照“表层→0.2H→0.6H→0.8H→底层”的次序采集5点水样，依次分层取样；(3)分层取样时，同步采集ADCP数据。采样器在指定水深处停留约40 s左右后打下铅锤，同时记录下取样的时间、水深以及ADCP 的#Ens 序号。

图4 ADCP测沙数据处理流程图Fig.4 Sketch of data processing flow of sediment concentration measurement based on ADCP

2.3 数据整理

ADCP测沙与传统方法计算断面输沙率的原理相同，每两个信号之间即可构成一微子断面，分别计算各微子断面内的平均含沙量和输沙率，再将各微子断面的输沙率相加得到整个断面的输沙率。

ADCP测沙数据具体处理涉及到两个程序，分别为荷兰Aqua Vision公司开发的“ViSea DAS ” 程序和长江口水文水资源勘测局的“ADCP测沙后处理软件2.6”程序(图4)：

(1) “ViSea DAS ” 程序：利用子模块PDT，首先采用标准的关系曲线将第一层的ADCP的声反向散射信号计算成悬移质含量，此时，仅考虑声学扩散和水体吸收，不考虑颗粒衰减等其他因素，得到的悬移质含量来计算颗粒衰减，这个值用来改正下一层的声散射信号，通过设定收敛条件，不断优化重复，就能计算出每个信号所对应的垂线平均含沙量；(2)“ADCP测沙后处理”软件 ：主要是针对荷兰Aqua Vision公司的PDT模块中输出的ASC数据，增加流量、面积等信息，以计算断面输沙率。

图5 ViSea DAS程序数据处理流程图Fig.5 Sketch of data processing flow of ViSea DAS program图6 ADCP测沙后处理程序数据处理流程图Fig.6 Sketch of data processing flow of ADCP post processing program

3 测验精度

图7 两种方法观测数据对比图Fig.7 Sketch of comparisons of observation data by two methods

3.1 精度分析

大通水文站从2011年9月份就开始在本站水文测验断面进行ADCP测沙与传统法的相关比测工作。现将2011～2013年共40个测次的数据进行统计整理。具体数据如图7。

从输沙率相对误差数据X可以得知，其误差在-10%

图8 相对误差各范围所占百分比图Fig.8 Sketch of percentage of relative error in each range图9 传统法与ADCP测沙输沙率关系图Fig.9 Sketch of relationship of sediment transport rate between the traditional method and the ADCP method

由上述分析可知，ADCP测沙方法与传统法相比，相关系数良好，而且平均相对误差仅为8.7%，由此可基本认为该新的测沙方法在大通水文站等符合瑞利散射模型条件的区域，其精度是可靠的。

3.2 误差分析

利用ADCP声反向散射强度计算悬移质浓度，误差是多方面的，主要有以下几点：

(1)标定时引起的误差。横式采样器采样时和ADCP同步采集的时间不一致；(2)传统方法可以采集表层和底层的水样，ADCP表底层存在盲区；(3)水样分析误差。量具不精确或观读容积不准，抽吸清水可能流失一部分泥沙等；(4)数据处理误差。除“声学测沙”原理本身的局限外，尚可能存在软件后处理过程中声学参数误差、数据匹配误差、收敛计算误差等；(5)其他误差。

4 结论

从本次实验研究数据可以说明了利用ADCP来替代传统方法测定悬移质含沙量是可行的。

(1)本次ADCP测沙与传统法的相关关系达到0.98以上，平均相对误差为8.7%，应用ADCP进行输沙测验已经达到了一定精度。但因为此次分析样本数据较少，仅进行了相对误差分析，系统误差及随机不确定度等指标的分析有待在后续比测工作中补充；(2)与传统法比较优势明显，进行ADCP输沙率测验，只是在测流过程中增加操作人员野外记录，不仅使测流与测沙同步，而且提高了工作效率、丰富了测验资料成果。

ADCP输沙率测验方法为将来自动化测沙积累了经验，是值得不断探索和研究的测沙新技术，但是该方法对于泥沙颗粒级配有严格要求，因此针对不同水情的断面，需事先进行比测实验以判定该方法的可行性。