微型ADCP在流量测验与资料整编中的应用

杨冶

（辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山114036）

1 测站概况

立山（四）水文站处于辽河流域、太子河水系。流量测验断面设立于鞍山市铁西区城昂堡村，河道测验顺直长度约500 m，呈单式河槽，基本断面以上共有上石桥水库、判甲炉污水处理厂、东台拦河闸等18 处水利工程,以及4 处自动翻板闸。由于受上游水利工程及洪水期自动翻板闸门频繁开关影响，基本断面水位变动较大。特别是洪水期间，水位暴涨暴落，普通转子式流速仪测验繁琐耗时长，导致测验流量结果误差大，随之影响相关水文资料整编工作。

1960年发生历史最大洪水，最大流量1 090 m3/s，最大流速4.55 m/s，最高水位27.89 m。2012 年下迁断面8 km 到铁西区城昂堡村，同年发生较大洪水，最大流量472 m3/s，最大流速1.91 m/s，最高水位19.09 m。

2 微型 ADCP 介绍

随着城市的发展与规划，普通传统流速仪测验已经难以满足使用要求，而近些年来新型测验设备ADCP凭借自身优势，已经应用于日常测验当中。

2.1 工作原理

声学多普勒流速仪，利用声波在水中的传播来测量水中各点或某一剖面的水流速度。根据多普勒频移，当频率为F1的振源与观察者之间相对运动时，观察者接收到来自振源的辐射波频率将是F′。鉴于观察者与振源两者之间存在相对运动而产生的接收信号相对于振源频率的频移现象则称之为多普勒效应，通过此频移进而测出物体的运动速度。在作业时，由测量仪器发出辐射波，再接收由测物体产生的反射波，测出频移，算出速度。

微型ADCP 属于声学多普勒流量计其中一种。在其测得流速分布的同时，期间ADCP测深仪测得走航断面的各位置水深数据，河底跟踪同步测得各垂线的地理坐标。通过蓝牙连接在ADCP 电脑上，直接显示走航断面实时流速分布和流量汇总结果。水面流量、河底流量及岸边测不到流速的盲区区域，采用按流量测验规范比测验证的经验系数，计算盲区区域的流量值，最终计算出流量结果。

2.2 优势

1）测验时间缩短：微型ADCP 采用动态测量，测船移动中不间断发射脉冲测量；普通传统流速仪1 条垂线多点施测，常规1 点测100 s 以上，需测量多测点、多条垂线，计算流量。

2）测验机动灵活：传统流速仪断面要垂直于水流方向，应根据不同水深、流速选择不同类型的流速仪；微型ADCP 的测验轨迹是随机的曲线，流速测量范围±7.2 m/s。

3）计算方便快捷：微型ADCP 断面流速、面积同步测量，主动消除回流等因素影响，通过计算机软件直接计算流量；而传统流速仪需要将流速与断面面积分别计算，再累加各部分流量后，最终求得测验结果。

2.3 局限性

1）ADCP 利用声波作为传导，当测验过程中水体高含沙或河底走沙时，水体吸收声波能力增强，致使接收回波强度明显减弱，导致底跟踪、水深测量失效，最终无法完成一次流量测验。

2）受测验环境影响，非实测区（表层、底层、左右岸边区）面积与实测区面积的比值过大造成测验误差加大。

3）人为操作测船速度超过水流速度过大造成测验误差。

3 微型ADCP 与传统流速仪比测

3.1 比测断面、测次选择

为控制比测断面变化而影响比测精度，选择在立山水文站基本断面以上5 m（流速仪测流断面）作为此次比测断面。河道顺直长500 m，测验断面为单式河槽，左右岸两侧均为水深均匀地变浅至零的斜坡岸边，河床主要由沙石、沙壤土组成，断面冲淤变化较小，较稳定，无横比降。

考虑到微型ADCP 工作原理，避免水流紊流、水面波浪、剪切流、河底推移质、极慢流速等不利因素所产生的误差，选择在河流稳定，含沙量较小或无沙时进行比测。

3.2 比测方案

采用的微型ADCP是TRDI公司新一代产品，最小单元长2 cm，最大剖面深4 m，流速量程±7.2 m/s，精度±1.0% ± 0.2 cm/s，分辨率 1 mm/s。测验时，完全遵照《声学多普勒流量测验规范》走航式流量测验要求：首先固定微型ADCP，然后释放拖绳，保持仪器到达比测断面后，锁定托绳，保持仪器在流速仪测流断面，人工拖动ADCP，从开始河岸测至结束河岸，测验两个测回，水边距离采用光学测距仪测量，满足取得2 次测回流量的平均值，作为微型ADCP 测量结果。测验过程中，控制单次测回流量误差在小于5%以内，当结束测量，计算后发现超差，增加测回，保证最终ADCP 测量结果在误差允许范围内。

流速仪测验则按照《河流流量测验规范》，选择按规定检定、校核并符合当时测验条件的流速仪。严格按照规范要求测宽、测深，测速采用两点法（0.2，0.8），单点测验历时超过100 s，并根据水位变化及时调整垂线条数，减小测验误差。

4 比测结果与分析

4.1 单次测验精度分析

鉴于微型ADCP 使用局限性，以及测验环境影响，共取得比测结果30 次，见表1。结果显示：ADCP 实测流量结果误差小于规范要求5%，结果均可以采用。

表1 ADCP与流速仪精测方法比测结果统计

4.2 整编精度分析

将参与计算水位流量关系曲线的流速仪实测流量值，采用同次ADCP 测验结果替换，重新与高水高沙流速仪测点进行水位流量关系曲线检验，按照《河流流量测验规范》《水文资料整编规范》要求进行精度分析、3 种检验，分析结果见表2。结果显示，系统误差及3 种检验均通过。

表2 ADCP 比测水位~流量关系曲线检验计算表

4.3 洪水总量分析

将使用ADCP 测验结果确定的水位流量关系曲线，与同时期流速仪实测流量确定的水位流量关系曲线，对 2020 年 5 月 18 日、6 月 16 日洪水总量进行分析，误差均小于规范要求一次水量允许误差6%，整编成果完全符合并满足推流要求，结果见表3。

表3 ADCP 比测洪水总量结果统计表

5 结语

微型ADCP 流速仪作为一种先进的河道断面流量测量仪器，相比于传统转子式流速仪，具有机动灵活，操作方便，工作稳定，维护次数少，测验速度快捷等诸多优点。通过比测分析，微型ADCP在条件允许的情况下，可以作为替代传统流速仪测验的新方式，在保证测验、整编成果精度的同时，还可以有效地提高测验效率、降低测站工作强度。随着技术不断发展，高精度ADCP 将会在解决洪涝灾害、水资源可持续利用开发等一系列问题中得到广泛应用。