走航式ADCP与流速仪法流量比测分析

走航式ADCP与流速仪法流量比测分析

翟玉明

翟玉明

江苏省水文水资源勘测局南通分局江苏省南通市226010

摘要：本文对走航式ADCP与流速仪法流量测验进行比测分析，统计多次走航式ADCP与流速仪法流量测验结果，分析走航式ADCP流量测验误差的来源，探讨消除走航式ADCP流量测验误差的方法，从而提高走航式ADCP的测验精度，使ADCP技术广泛应用到生产实践中。

关键词：走航式ADCP流量误差计算模型

前言：随着经济社会的发展和水利现代化要求，新时代对水文提出了新的要求。现代水文是水利现代化可持续发展的技术支撑，“更全、更准、更快、更新”是对水文水资源信息服务的新要求。近几年来，我国水文测报基础设施与技术装备得到了较快的发展，水文自动测报系统逐渐完善，水文测报的新技术、新仪器、新设备得到了广泛的运用。特别是引进了声学多普勒流速剖面仪（ADCP）以后，达到了快速测得断面流量的要求。但是对成果的准确性和精度的可靠性还得在实践中积累经验数据加以论证并建立流量模型才能把成果运用到生产实践中。因此流量比测是必不可少的环节。本文以走航式ADCP与流速仪法在营船港闸水文站的流量测验结果来分析走航式ADCP流量测验误差的来源及消除的方法，并建立流量计算模型。

一、营船港闸水文站基本情况

营船港闸水文站属于国家基本水文站，测验项目有水位、降雨量、流量。测流断面位于闸上游220米，断面宽94.0米，最深处河底高程为-2.69，稳定水位2.00米，两岸边坡为斜石坡。测验设施包括水文缆道，电动绞车，86型旋杯式流速仪，走航式ADCP。本站采用一潮推流法定线，流速仪法采用简测法3条测速垂线，常测法7条测速垂线。走航式ADCP采用全断面往返施测。

二、营船港闸水文站流量比测成果

本次比测以流速仪法测得的流量成果为参考值，同时进行走航式ADCP流量测验。分别摘录断面面积、水面宽、断面平均流速、断面平均流量。

表1为营船港闸2017年一潮引水实测流量成果摘录表。

（注：表中括号内代表改正后的数据）

从表中可以看出：断面平均流量相对偏差大小不一，两种测验成果中断面面积不等，但同一时刻的同一断面应该面积相等，造成不相等的原因一个是ADCP本身的系统误差，一个是测验误差。仔细查验发现，两者水面宽不等。通过表中的流量成果计算原理，流速仪法是通过面积包围法计算流量，各水文要素根据测验规范达到精度要求，可以视作标准值。而ADCP测流是通过每个单元流量累加、水面与河底盲区、两岸盲区三者总和得到断面流量，其中单元流量与水面河底盲区的流量偏差属于ADCP内部系统误差，而两岸盲区的流量计算与测时左右水边距离的设定有关。分析发现，表1中第1、3、4测次的水面宽存在不合理。经过仔细校核原始资料，发现第3测次左右水边距离设置错误，把2.0米输成20米。多了36米宽，结合水深情况经过分析计算，本次流量应为210m3/s。第1、4次的水面宽也存在误差，因为在ADCP测验时水边距离的设置是通过目测的，且对岸距离较远容易遭成视觉误差。经过合理校正，第1测次断面平均流量应为125m3/s，第4次断面平均流量应为233m3/s。

根据上图可以看出，流速仪法流量测验成果与ADCP流量测验成果存在较大的系统偏差（9.8%）。经过仔细分析检查，发现本次ADCP流量测验探头入水深的设置值为5cm，实际测时探头入水深应该为10cm。通过进行合理性检查并修正后系统偏差趋于合理了。经过2017年5月~~10月共18次的比测，得到了系统的比测成果表2

表2营船港闸2017年5月~~~10月引水流量比测成果表

Z——测时水位，Q1——流速仪法测得断面平均流量，Q2——ADCP测得断面平均流量，η——相对偏差

三、走航式ADCP流量测验误差主要来源

走航式ADCP流量测验误差主要有：1、水深测量误差，走航式ADCP利用声学原理测量探头发出的声波从河底返回到水面的时间从而计算出水面到河底的距离即水深。由于水体中的杂质和河底的复杂状态多会影响水深大小，特别在浅水区域影响更大；2、流速测量误差，在含沙量较大的断面或流速较大的地点对流速影响较大；3、存在盲区，对于盲区流量的估算，各种型号的仪器内部设置不同，运用到不同的断面时流量估算存在误差。这些误差都是由仪器的性能和各断面状态决定，属于系统误差，可以统一校正。但在左右岸盲区流量估算中存在水边距离设置，这是在测量时人工确定值，需要现场施测人员目测估算，这个水边距离数值的大小直接影响流量的计算，所以在走航式ADCP流量测验中水边距离的测算是其主要的误差来源；4、其次，水草、河底推移质等也对测验精度有一定的影响。

四、走航式ADCP流量测验误差控制

走航式ADCP流量测验误差控制的方法主要有：1、参数设置，根据测流断面的形状、河宽、水深、河底状态设置适当的测量参数能尽可能地减小系统误差；2、选择适当频率的仪器可以提高测验精度，在固定断面流速不大的河道站适合采用较大频率仪器；3、减小两岸水边距离的目测距离偏差能大大提高测验精度；4、合理控制起始及终了时的岸边数据采集时间；5、尽可能多的采集流量比测资料，在不同水位级进行比测，减小系统误差。营船港闸测流断面走航式ADCP流量测验系统偏差ξ==4.3%。其中n为测次，ηi为相对偏差。

五、建立流量计算模型

根据表2中的实测流量数据建立流量相关关系图如下图：

根据表2的实测流量成果表计算ADCP流量率定系数，从图中我们可以看出流速仪法测得的断面平均流量与ADCP测得的断面平均流量成线性相关。它的斜率k=1.043。因此，该断面平均流量=1.043QADCP。

参考文献：

《水文勘测工》牛占主编，黄河水利出版社，2011.12

《水文现代化与水文新技术》林祚顶主编，中国水利水电出版社，2008

《水文资料整编》罗国平主编，中国水利水电出版社，2017

《水文测验》罗国平主编，中国水利水电出版社，2017

《水文测验实用手册》朱晓原主编，中国水利水电出版社，2013