ADCP多线积深式流量测验技术应用研究

宋海松 李德贵 陈宝华 刘培旺

摘要：以往ADCP进行河道断面流量测验的应用方式是走航式，多沙河流存在“动底”，影响底跟踪应用并给流量测验结果带来较大误差。采用多线积深式流量测验方法，利用ADCP依次对多条垂线进行流速流向、水深测量，测记起点距计算总流量，并在黄河中游吴堡、府谷两站开展了与流速仪法的流量比测试验，对资料进行了分析和评价，说明多线积深式流量测验方法作为低沙、平水期流量测验的一种应用方式，可缩短历时，提高测报技术水平，具有较好的应用前景。

关键词：ADCP;多线积深;流量测验;比测试验

中图分类号：TV856

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 005

1 概述

ADCP（声学多普勒流速剖面仪）是目前最先进的河流流量测验设备，已在我国许多河流的流量测验工作中得到应用，应用的方式是走航式。但是，在黄河这样的多沙河流中，因受“动底”的影响，故测得的流量偏差较大，使得仪器的应用受到限制。

黄河中游是黄河暴雨洪水的主要产流区，也是泥沙的主要来源区之一。为了防洪和黄河治理、开发等需要，在此河段布设有府谷、吴堡等水文站，常年开展洪水和泥沙等水文信息的采集，测验方法大多是沿用了多年的流速仪法和浮标法。流速仪法采用的是转子式流速仪，人工手持测深杆测水深，手段较为落后;浮标法以人工投放浮标并测量经过两个断面的历时来计算流速，借用断面计算流量，需储备大量浮标，并且投放浮标的“成活率”不高，用人多，在夜间或雨天测流也存在一定困难。

虽然上述这些站洪水期含沙量高，但是每年有多半时间流量小、含沙量相对较低，具备应用ADCP进行流量测验的条件。吴堡、府谷站都使用具备起点距测算功能的电动吊箱作为渡河测验装备，可作为ADCP多线积深式应用的承载平台。本研究在吴堡、府谷站利用ADCP与吊箱联合作业，进行多线积深式流量测验方法与流速仪法的比测试验，分析平、枯水期应用ADCP进行流量测验的新方式。

2 试验测站概况

吴堡和府谷水文站都是国家重点报汛站。

吴堡水文站测验河段顺直长约600 m.河势稳定，主流偏右，流向与断面基本垂直，洪水时主流较稳定。断面形态呈窄深梯形复式结构，河面宽150～500 m，一般中高水冲刷，小水淤积。该站洪水由暴雨或上游融冰开河形成。暴雨洪水暴涨暴落，含沙量大;融冰洪水涨落缓慢，含沙量较小。

府谷水文站测验河段长300 m.基本顺直，河床由细沙、沙砾石组成，河道冲淤变化一般表现为高水时冲刷，低水时淤积，河槽形态呈矩形。洪水时主流有摆动，流向顺直，低水时有斜流。洪水由暴雨或黄河干流凌汛形成。暴雨洪水暴涨暴落，含沙量大;凌汛洪水涨落缓慢，含沙量较小。

每年汛前，两个测站都会对缆道设施、吊箱、仪器、测具等进行一次全面检查和维护保养，流速仪送到专业检定机构进行检定。

3 ADCP测流原理

ADCP是利用多普勒效应进行流速测量的。仪器主机控制换能器向水下发射声波，声波被水体中的泥沙颗粒、浮游生物等散射体散射，返回的部分能量由换能器接收，经过电路处理声信号变成电信号，再经运算处理多普勒频移而测算出流速。

假定水体中颗粒物移动速度与水体流速相同，当颗粒物的移动方向接近换能器时，换能器接收到的回波频率高：当颗粒物的移动方向远离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率低。声学多普勒频移即发射声波频率与回波频率之差为

式中：v为颗粒物沿声波方向的移动速度，m/s;F_d、F0分别为声学多普勒频移、发射频率，Hz;C为声波在水中的传播速度，m/s。

ADCP能直接测出断面的流速剖面，具有不扰动流场、测速范围大、自动化程度高等特点。比测试验使用吊箱缆道、“瑞智”相控阵ADCP，与其配套的其他设备包括三体船、电源、数据传输设备、多线法流量测验软件SXS Pro。试验设备组成及各部分之间的关系见图1。

4 比测试验

4.1 设备连接

试验时设备的作业模式：数据接收处理计算机与吊箱控制台在操作室内：以电动吊箱牵引ADCP搭载的三体船渡河：ADCP与计算机之间的数据通信方式采用无线方式。

4.2 比测试验方法

设计在吴堡、府谷水文站流量测验断面开展与常规方法的流量比测试验。含沙量范围：自清水至因含沙量量级影响至ADCP测流失效：流量范围：比测测次尽量分布在不同的流量级：比测次数：每站与常规方法的流量比测试验次数不少于100次，其中与流速仪法实测流量对比应不少于30次[1]，其他为ADCP单独进行流量测验。与水文站日常流量测验的同步对比，要求流量测验在时间上同步，在空间上位置相近：与水位流量关系线上以水位推求的流量对比，此时流速仪法不需测流，仅有ADCP单独进行流量测验。同步对比即在流速仪法测流时，ADCP同时测流。将三体船牵引缆固定在吊箱上，在水流的冲击下载有ADCP设备的三体船处于吊箱下游3.0 m左右的位置。

按照与水文站日常测流的垂线数目和起点距位置布设垂线，并同时进行测验。在ADCP实施流量比测试验的每一条测速垂线上，分别采用60、100 s为垂线测速历时[2]，分别记录、计算一组流量数据，以此统计、分析和评价ADCP采用60、100 s流速测验历时测得的流量成果。

ADCP与流速仪法填记相同的水边位置、岸边系数、测速垂线数量，并以相同的次序实施测流。流速仪法测流垂线数目按照规范要求布设。吴堡、府谷两站均布设测速垂线10条以上。

4.3 比测数据

比测试验自2016年3月22日開始至2017年10月底结束。在两站试验期间，都经过了一定量级的洪水过程，同时也有含沙量的变化过程。收集资料的范围见表1。

5 比测成果分析

5.1 比测数据处理

在进行资料整理分析时，对粗差进行了处理。2016年7月25日，吴堡站ADCP第56次测流时因含沙量增大，主流中一条垂线无数据，故测流结果严重偏小：2017年3月29日到4月2日共17次采用了不同号码的流速仪，对比资料的流量系列系统偏离2016年数据相关趋势线：第98次是2016年10月28日ADCP单独测流与水位流量关系对比的测次，水位为637.06m，吴堡（二）站流含表查得流量为523 m³/S，25日22时水位为637.05 m，查得流量插补对应637.06 m流量为460 m³/s.与523 m³/s同水位流量差别达12%，故舍弃这部分数据，对其余测次数据按时间顺序排列，得到ADCP比测资料序列。

府谷水文站在比测試验中，ADCP第45测次水深测量值偏小，小串沟没有测出，流量严重偏小;第94测次有的流量超过了总流量的20%，串沟只布设1条垂线，不符合技术规定。舍弃这些流量对比数据，将其余测次数据按时间顺序排列，得到ADCP比测资料序列。

5.2 流量比测成果相关分析

把ADCP以60、100 s测速历时所测的流量分别表示为Q60、Q100，流速仪法实测的流量表示为Q实，水位流量关系线推求的流量表示为Q线。点绘测速历时为60、100 s的ADCP流量与流速仪法、水位流量关系线推求的流量相关关系图，见图2—图5。从图2—图5可以看出，吴堡站ADCP与流速仪法的流量相关关系较好。

图6—图7为府谷站ADCP Q60、Q100与Q实 的相关关系，可以看出两者不仅成良好的线性关系，而且关系点距离关系线都很近;图8～图9分别为Q60、Q100与Q线 的相关关系，可以看出虽然两者成良好的线性关系，但是点群分布较宽。分别点绘府谷站Q实、Q线与ADCP计算流量的相对误差，见图10、图11。

比较图10和图11可以看出，ADCP计算流量与Q实的误差明显小于与Q线的;当流量小于420 m³/s时，呈明显的流量越小相对误差离散度越大的规律。在以下的资料分析中，对府谷站查线比测流量大于420 m³/s的数据进行分析计算。

5.3 误差统计与分析

按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）规定，各种方法所使用的仪器在测站正式投产使用前，应与流速仪进行比测，并符合下列规定：①比测宜在水流相对平稳时进行，并应在高中低水不同水位（或流量）级下均匀分布测次;②比测有效次数不应少于30次;③比测随机不确定度不应超过6%.比测条件较差的不应超过7%.系统误差不应超过±1%，条件较差的不应超过+2%。

相对误差均值X采用式（3）计算：式中：n为测次。

标准差S采用式（4）计算：

5.3.1 吴堡站ADCP流量对比误差统计分析

采用剔除粗差后的数据进行误差统计，结果见表2。

统计结果表明，本试验中吴堡站使用ADCP进行流量测验，以测速历时100 s测验的流量与实测流量、查线流量结果对比的样本数分别为29、54个，系统误差符合条件较差时不应超过+2%的规定，随机不确定度符合不应超过+6%的规定：测速历时60 s时，与实测流量和查线流量对比的样本数分别有15、18个，与实测流量的对比误差统计指标满足要求，但与查线流量对比随机不确定度超出要求。以60、100 s测速历时与实测流量、查线流量汇总统计的结果均符合技术规定。

5.3.2 府谷站ADCP流量对比误差统计分析

采用剔除粗差后的数据，经分析小流量时采用水位流量关系定线推流的数据离散度大。现以420m³/s为界限，统计420 m³/S以上的测次，结果见表3。

由表3可见，流量在420m³/s以上时.60、100 s的误差都在规范允许限差以内。若采用全部实测流量测次和大于420 m³/S的查线测次，则统计结果见表4。由表4可知，60、100 s误差也都在规范允许限差以内。

5.4 含沙量对测深的影响

影响ADCP测深能力的因素有水深、含沙量及泥沙粒度。ADCP是发射和接收声波信号并加以解算进行水深、流速测量的，每发射一次为一呼。图12为含沙量与ADCP垂线测量数据坏呼比例的关系。由图12可知，当含沙量在13.7 kg/m³以下时，坏呼比例小，好呼比例在70%以上;当含沙量在13.7 kg/m³以上时，关系点重心向上偏离，含沙量越大坏呼比例越大。

从点绘的含沙量一水深误差相关图（见图13）可知，含沙量在15.7 kg/m³以下时，即使最大水深4.2 m，ADCP测深误差相关点也在误差零轴上下一定范围内基本均匀分布，点群重心靠近零轴：当含沙量在15.7kg/m³以上时，水深误差关系点群重心向下显著偏离，含沙量越大误差越大，且趋势明显。

6 结语

（1）黄河中游河道来水来沙时间集中，一年中大部分时间含沙量小，基本符合ADCP的适用条件。ADCP多线积深式流量测验为小含沙量时期流量测验提供了新的手段。

（2）悬移质含沙量是影响ADCP应用的主要因素之一，影响仪器的测量能力和适用范围，超过一定的含沙量甚至会造成测流失效。本研究总体上在11.1～15.7 kg/m³含沙量、4m以下水深取得了正常的试验资料。

（3）吴堡、府谷两站河道断面不稳定，比测试验期间有一定的冲淤变化，可认为比测条件较差，吴堡站流量231～900 m³/s、府谷站流量420～ 900 m³/s的资料分析证明，误差在规范允许范围以内。吴堡、府谷两站比测流量级分布不均匀，流量在900 m³/s以上的资料较少，尚需进一步开展试验，收集流量、含沙量以及泥沙粒度资料。

（4）在多沙河流的沙质河床条件下，河道断面不稳定，“动底”会使走航式ADCP测流受到制约。利用测站有缆道的优势，与ADCP设备组合应用，能够大大减轻工作人员的劳动强度，缩短测流历时，提高流量测验技术水平。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局，河流流量测验规范：GB 50179-2015[S].北京：中国计划出版社，2016：14-55.

[2] 中华人民共和国水利部，声学多普勒流量测验规范：SL337-2006[S].北京：中国水利水电出版社，2006：3-13.