走航式ADCP在辽东地区河道应急测流中的应用分析

2020-08-04王明亮

水电站机电技术 2020年7期

王明亮

（辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁沈阳110003）

1 引言

近些年来，走航式ADCP已逐步成为国内流量测验的仪器之一，尤其是在洪水应急测验中得到应用[1]。当前，随着水文测验现代化技术的逐步开展，大江大河国家基本水文站已逐步向流量新技术方向发展，特别是中小河流基本水文站，走航式ADCP可作为中小河流巡测方式重要设备进行流量测验[2]。但是该流量监测设备在区域流量监测的适用性还需要逐步进行检验，国内许多水文测验技术人员，结合工作实际，采用与传统流速仪对比观测的方式进行走航式ADCP流量测验的适用性[3-6]，对比研究成果表明，走航式ADCP基本可满足区域水文测验的要求，尤其是在一些区域的高洪已经测验中得到应用[7-10]，但也有研究表明在高洪水时，受到河流漂浮物及流速影响，走航式ADCP适用性不高[11-13]，同时适用性分析的研究还相对较少，尤其在辽东地区还未进行相关应用，辽东地区山区型河流较多，河道流速一般较大。本文结合传统流速仪对比观测的方式，在水文测验相关规范要求内，对走航式ADCP在辽东地区的适用性进行分析，研究成果对指导辽宁东部地区水文测验方式具有重要的参考价值。

2 走航式ADCP测流原理

ADCP超声波测流系统是根据多普勒效应原理，向水中发射四个固定频率的声波短脉冲，这些短脉冲碰到水中的散射体（如：浮游生物、泥沙等）将发生散射，ADCP从每个波束接收到的回波信号可得到水流的东向、北向和垂向速度分量，测流示意图见图1。将水流从上到下的整个水柱划分成若干个深度单元，各深度单元的流速数据组成流速断面。在同一个数据组中，ADCP分别记录下底跟踪速度和断面水流速度信息，用测流软件可以分析得到水流速度及流速在整个断面的分布情况，进而计算出整个断面的流量。可以实时显示ADCP的运行轨迹、水下断面图等信息。

图1 ADCP测流示意图

3 流量测验的精度评定方法及误差标准

3.1 流量测验的精度评定方法

按照河流流量测验规范GB50179-2015相关要求，流量分量相对标准差应按照以下公式进行估算，估算方程为：

在方程中SY表示为流量分量的相对标准差（%）；表示为n个流量分量的算术平均值（m3/s）；Yi表示第i个流量分量的测量值（m3/s）。此外，流量测验的精度可以按照总的不确定度来进行分析，各类水文站按照高、中、低水位各计算一次总的不确定度，流量各独立分量的随机不确定度，取置信水平为95%，并按照以下方法进行估算：

（1）当流量测量样本的序列容量大于或者等于30时，随机不确定度应为相对标准差的2倍。

（2）当流量测量样本的序列容量小于30时，应按照表1中的学生氏（t）值乘以相对标准差得到随机不确定度。

表1 置信水平为90%的学生氏（t）值

走航式ADCP的仪器不确定度则结合生产厂家给定的仪器精度指标进行确定，当流量可以划分成若干函数后，假定各个流量分量属于相互独立后，总的随机不确定度的计算方程为：

在方程中表示为流量的总随机不确定度（%）；K表示为流量分量的个数；Yi表示为第i个流量分量的随机不确定度（%）。

3.2 误差评定标准

进行走航式ADCP流量测验的误差分析时，按照河流流量测验规范GB50179-2015相关要求，在高、中、低水位时应均匀的分布各测次，对比观测试验不少于20个测次。由于每次历时时间较长，在大洪水试验困难较大时，试验应选在流量相对平稳期进行。流量误差试验资料的整理和计算应符合以下规定：

（1）单次流量的近似真值，为采用多条测速垂线按平均分割法计算的断面流量。

（2）对多线断面流量做抽线精简时，应保留控制断面形状和横向流速分布转折处的测速垂线，再按均匀抽取垂线的原则，计算得出少线断面流量。

（3）测速垂线数目不足导致的误差不应超过表2中的规范要求。

表2 流量测验规范要求的允许误差

4 水文站对比观测实例分析

4.1 流量测验误差分析

选定辽东地区不同站类水文站进行流量测验误差统计分析，并按照高、中、低水三种类型分析其流量测验的误差，分析结果见表3。

表3 走航式ADCP在辽东地区不同站类水文站流量测验误差分析结果

从误差统计分析结果可看出，结合河流流量测验规范GB50179-2015不同站类水文站允许误差相关要求，在不同断面垂线数目下，高水位流量测定置信度为95%的随机不确定度都高于其规范要求的允许误差，且各垂线数目下系统误差均高于同组垂线数目下的系统误差，表明在高水条件下走航式ADCP不能有效满足流量测验的允许误差要求，在各站类水文站高水流量测验存在一定的不适用性，但相比于允许误差，其相对误差较小。走航式ADCP在辽东地区各站类水文站高水位流量测验不太适用的一个主要原因在于高水位时，由于辽东地区大都为山区型河流，其流速一般较大，而在高水位尤其是流速较大的洪水时期，走航式ADCP受到高水流速冲击影响，使得其流量测定的精度有所降低，而在中低水畅流期，由于水流相对较为平稳，使得走航式ADCP的测流较为稳定。在中低水时期，通过对比观测分析，各组断面垂线数目下，其流量测定误差均在河流流量测验规范中的允许误差范围内，可见，在辽东地区，在畅流期中低水时，走航式ADCP具有一定的适用性，可用来进行水文测站的巡测。

4.2 走航式ADCP主要误差来源

在对走航式ADCP进行实际应用时，对水文测验方式影响下其误差来源进行分析，主要为以下几点：

（1）顶部测流盲区产生的误差：走航式ADCP测流时其顶部盲区一般有3个部分组成：首先是顶部探头进入一定水深后，不能对其上部水流的流量进行测定，存在盲区；其次是换能电磁陶片由于存在震压，需要其余震进行有效衰减以后才能完成正常的测流；再次是由于连续的声波脉冲之间存在一定的距离，使得信号传输存在一定的阻力。

（2）底部测流盲区产生的误差：由于走航式ADCP底部的旁瓣最先达到水体的底部，使得其主瓣不能对其水下测量区域进行完全识别。其底部的盲区一般和走航式ADCP波束开角以及设定的水深有较大的相关性，其开角越大其底部盲区的区域面积越大，因此采用走航式ADCP进行流量数据采集时，需要在其软件终端设置旁瓣减少一个计算单元。

（3）岸边测流盲区产生的误差：走航式ADCP不能实现河流两个近岸边的流量测定，存在盲区，在实际测验过程中，两个岸边的水深一般较浅且干扰因素相应增多，使得走航式ADCP形成测流空白区域，此外走航式ADCP的计算软件需测定到2个以上的有效单元才能进行流量测验，使得其水边很难测定到流量，尤其是在高水时期。