ADP与传统流速仪封冻期流量测验比测精度分析

杜毅治，付 萍，周艳军

（1.黑龙江省萝北县水务局，黑龙江萝北154200；2.松辽水利委员会水文局黑龙江上游水文局，黑龙江 黑河154300）

为适应水文现代化要求,减轻封冻期流量测验工作劳动强度，提高测验精度,缩短测验历时,引进国外先进的水文测验仪器并应用到工作中去。在2007年和2008年的冬季，松辽委黑龙江水文水资源勘测局采用声学多普勒剖面流速仪(以下简称ADP)，在卡伦山水文站进行封冻期流量比测试验。

1 测站概况

卡伦山水文站位于黑龙江干流黑河市下游25 km，俄罗斯结雅河与黑龙江汇合口下游18.9 km处。集水面积725 000 km2，至河口距离1 899 km，是国家重要水文站和中央报汛站。

卡伦山水文站冬季天气寒冷，最低气温为-49.5℃。每年的11月上旬封江，下一年的4月下旬开江，每年的封冰期为150 d左右。该站基本断面处最大冰厚可达2 m以上。河床为沙卵石组成，断面冲淤变化不大，断面含沙量较小。

卡伦山站由于受到地理位置、地形条件、上游来水量、河流流向以及气温等因素的影响，从建站以来卡伦山水文站基本断面河段处为倒封江状态。这样使测验断面冰底过水断面受到水流变化和温度的影响，出现冰花、冰絮、冰阻塞等复杂情况。随着冰厚的增大，以及冰底水流的冲刷使冰花、冰絮逐渐减少。进入3月份测验断面的冰花、冰絮就消融了，断面冰厚比较平整，呈现两岸厚中间薄的特点，但在各别处由于受到冰花、冰絮的影响，冰层较厚。

2 比测数据收集方法

卡伦山站自1987年建站以来一直使用转子式流速仪法进行冰期流量测验。根据卡伦山断面宽度和形状及断面冰期特性合理的布设23条定点垂线，垂线间距离不超过40 m，通过流速面积加权得到流量。比测试验时，工作人员分成两组，一组进行转子式流速仪测验，另一组进行声学多普勒流速剖面仪测验。两组同时进行，这样可以保证在同一水位级下进行测验，降减水位涨落引起的误差。

ADP与机械式流速仪涉水测量的基本原理一样,在测流断面上布设多条垂线在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速。只是在测深和测速的方法不同。

2.1 测深方法

转子式流速仪采用15 kg的铅鱼利用悬索悬吊方式测深，水深计数器读取数据。ADP采用3个声波波速进行水深测量，在测量历时为120 s的过程中，实测的水深数据是120次的均值。在测量过程中仪器处于相对静止的情况下，水深数据比较稳定。

2.2 测速方法

转子式流速仪是应用1～3点法的测点流速的算术平均值代表整体垂线的垂线平均流速。

ADP测量垂线流速是以每0.25 m为一个流层单元，各单元的平均流速和经过理论补偿得到的非实测区流速的平均来代表整条垂线的平均流速。在测量垂线流速时，Stationary Measurement软件根据声学信号、冰下水流特性，各流层的流速以及探头到冰底或冰花底边的距离，过流速点中心绘一条比较平滑的流速曲线。软件设计充份考虑到冰期冰底下垂线流速部分特性和冰花、花絮对水流的影响。

3 使用的仪器设备情况和参数设置

3.1 仪器设备情况

本次卡伦山站使用频率为1.5 MHz的Mini-ADP将它定位在流速仪使用的冰孔垂线上，测量该垂线剖面各单元的流速和水深，再利用Microsoft Excel 2003开发的封冻期计算实测流量成果软件进行计算和内业整理。

3.2 ADP仪器参数设置

Mini-ADP的仪器参数如表1，用户参数设置见表2。

表1 Mini-ADP的仪器参数表

表2 用户参数设置表

声学多普勒流速剖面仪内部装罗盘系统，初次到卡伦山水文站进行流量测验时，由于卡伦山水文站所处地理位置和磁场变化的影响，需对声学多普勒流速仪进行罗盘磁场校正。并且每次进行流量测验时，应对声学多普勒流速剖面仪所测流断面方向进行标定。

4 比测分析

4.1 数据样本

这次冰期流量比测实验数据样本采集只在卡伦山水文站进行，共计9次200条垂线。比测采用Ls1206B型号的机械旋浆式流速仪,声学多普勒剖面仪采用美国SonTek/YSI公司生产的1.5 MHz mini-ADP。

由于卡伦山站冬季来水量比较稳定，水位变幅较小，比测实验水位变幅在88.00～88.70 m之间。实测最大水深4.98 m，最大有效水深4.09 m；实测最小深2.04 m，最小有效水深1.13 m。实测最大垂线流速0.80 m/s,最小垂线流速0.24 m/s。

4.2 水深比测误差分析

对比测样本进行误差分析计算，误差统计见表3，表4。

表3 水深比测误差统计表

表4 水深比测精度统计表

从ADP与铅鱼测深误差统计表中可以得到87%测点相对误差在±3%之间。相对误差在3%～±6%的比测点，主要受到流速仪法铅鱼测深自身的误差影响，以及受到比测验的河底凹凸不平的天然河道以及水面上下起浮的影响。

通过水深比测和误差分析，满足流量测验规范和声学多普勒流量测验规范的要求。从比测水深数据可以看出ADP测深精度较高。

4.3 流速比测误差分析

对比测样本误差分析计算，进行误差统计见表5，表6。

表5 流速比测精度统计表

表6 流速比测误差统计表

流速比测相对系统误差为-2.8%，ADP测得的垂线流速小于机械旋浆式流速仪测得的流速。这是由于ADP内部安装有罗盘，ADP测得的垂线平均流速是折算到垂直于测流断面线的各单元矢量流速分量的平均值。ADP的流速和流向是垂直于断面的；流速仪流向是平行于水流的流向，但不一定垂直于断面。因此，没有经过流向偏角改正的流速会大于或等于实际流速。卡伦山水文站断面的下游比较平直，从实测的数据分析，其流向偏角不超过10°；按现行的测验规范不需要改正。所以有些垂线流速仪实测的流速大于ADP流速。

流速比测样本中有75%的垂线平均流速相对误差小于10%。25%的比测样本受到冰底冰花、冰絮影响，以及冰层厚度分布不均和河道断面不平的影响，使冰下水的流层分布规律发生了复杂变化，导致垂线测点流速不能完全代表垂线平线流速。这样就使流速仪测速与ADP测速产生了较大误差。

4.4 流量比测误差分析

流量比测误差分析见表7。

表7 流量比测误差分析表

前8次流量比测误差均小于5%，满足声学多普勒流量测验规范要求。4月10日的流量比测误差略大于5%，主要是由于1至10号孔的ADP与流速仪的流速误差引起的。逐日气温的回升以及水位的上涨，使冰底变的光滑和整个冰厚的浮起，导致冰底水层流速流向发生变化，流速流向不垂直于测验断面线。这样就使流速仪的流速大于ADP的流速，流速仪的流量大于ADP的流量。

流量比测结果的相对系统误差为-1.1%。说明ADP流量略小于机械旋浆式流速仪流量，它主要是受流速流向影响引起。将ADP流量与机械旋浆式流速仪流量进行相关分析,可以看出，两者相关性较好，相关系数为0.998。这说明用ADP进行封冻期流量测验性能稳定，精度良好。

4.5 有效面积比测

有效面积比测误差分析见表8。

表8 面积比测误差分析表

4.6 封冻期流量改正系数K值变化分析

封冻期流量改正系数K值变化分析见表9。

表9 K值比测分析表

从表9中可以看出ADP所测流量改正系数K值能够满足封冻期流量变化的需要，满足封冻比测规范要求。

5 结语

1）通过一个封冻期的流量比测试验，由ADP与机械旋浆式流速仪施测的流量相比，其系统误差为-1.1%，达到国家一类水文站的测量精要求。ADP能够作为一种先进的测流仪器应到封冻期流量测验中，满足黑龙江卡伦山水文站封冻期的流量测验要求。

2）ADP流量测验使冬季测验方式产生了质的转变。它采用无线遥控和通讯，所有的数据全部记录和保存在计算机的软件中，清晰而直观。测验结束，立即可以得到整个测验过程的所有水文数据，并且监视和分析整个测流的合理性，大大提高了测验的工作效率。与机械旋浆式流速仪相比，测验历时减少了3/4的时间，大大减轻了劳动强度。

3）ADP在冰期流量测验积累了一些成功经验。常规定点冰孔，将ADP探头放到距冰孔冰层底10 cm处，测得流速和水深相对稳定，与机械流速仪测流相对接近；有冰花的定点冰孔,应将ADP探头放到冰花下10 cm处；对于有二层冰的冰孔，ADP探头应放到二层冰下10 cm处。

4）卡伦山水文站封冻期应用声学多普勒流速剖面仪流量比测实验的成功，为未来的冰期流量测验应用先进测流仪器提供了成功经验。使ADP不仅能在畅流期进行流量测验,而且也开创了在黑龙江上冬季封冻期进行流量测验的先例。为与卡伦山水文站具有相近水文特性的黑龙江干流中下游水文测站冬季封冻期流量测验应用新的先进测验仪器提供了方法和依据。同时也为北方高寒冷地区封冻期流量测验提供了自动化程度较高的测流设备和成功经验。