ADCP剖面流速仪的比测应用分析

薛晟 曹华东 辛红侠 付光锋 蒙雅雯 唐明

摘要：ADCP剖面流速仪是由美国引进的一种河道断面流量测量仪器，具有重量轻，易于操作、工作稳定、测验速度快等诸多优点。2004年，上级为黄委小浪底水文站配发该仪器一台，该仪器与传统的流量测量仪器流速仪的比测分析成为正式投入应用的先决条件。

关键词：ADCP，流速仪，比测分析

中图分类号： S932.9+14 文献标识码： A

黄委会小浪底水文站位于河南省济源市坡头乡泰山村，建站于1955年4月，流域集水面积694221km2，距黄河口距离892km，是小浪底水库的出库控制站，属国家重要水文站，担负着长期收集水资源资料和提供雨水情信息的重要任务。

2004年，上级给小浪底水文站配置ADCP剖面流速仪一台，经过多年比测实验和分析，目前，在2000m3/s以下流量级，该仪器测验数据精度符合有关规范要求，已经作为正式资料应用。现对该仪器应用几年以来流量在2000m3/s以上的实测资料和流速仪实测资料进行对比分析，确定在2000m3/s以上流量情况下，该仪器测验资料是否符合有关规范精度要求。

一、实验内容与资料收集方法

1、实验分析内容

现选取2004年至2008年共四年流量在2000m3/s以上的ADCP剖面流速仪与流速仪实测资料进行对比分析，根据该仪器与流速仪法精度误差情况，以确定该仪器在2000m3/s以上时在该站是否适用。

2、资料收集方法

（1）流速仪法：主要采用黄测B201吊船，400kg铅鱼悬挂ls25—3型流速仪进行施测。测验方法采用常测法，100秒历时，人工记数、手工操作。

（2）ADCP法：将ADCP悬挂于冲锋舟或黄测B201吊船一侧1米以外，由船带ADCP沿断面横向移动，测得断面流量等数据。施测断面位置一般设在流量测验断面下游的10米到60米范围的河段内，每次施测两个测回，要求每半测回流量值与平均值的偏差不大于5%，计算其平均值作为ADCP同步所施测的流量。

二：比测分析使用的仪器设备情况

1、流速仪法

吊船过河缆1992年7月建成投产，两岸均为自立式钢塔， 左岸钢塔高3.5m，右岸钢塔高30m，主跨788m，主缆为上下平行双缆结构，直径31 mm ，最大荷载时最低点高度157.56m，设计最高应用水位156.00m。

测船：“黄测B201”钢质吊船一艘，1996年8月投产，长22.99m，宽5.00m，吃水深0.50m，装有400kg铅鱼和铅鱼悬吊设备，测洪能力5000m3/s；另有5.95m玻璃钢船一艘，2001年11月投产，配有操作机一台，用于右岸滩区测验。

其他测验器具：HW-1000型自记水位计一套，最高测至143.00m，经纬仪一架，水准仪二架， 机械天平一台(1/100感量)， 电子天平一台， LS25—3型流速仪7架，水准尺3付，采样器8个，测深杆8根，秒表4只，计算机两台。

2、ADCP剖面流速仪

2004年5 月配发的美国骏马系列瑞江ADCP剖面流速仪（WHRZ1200-1型1200KHz ）1台。

实验期间ADCP参数设置表

三：比测实验资料情况

1、对比试验时间段

小浪底水文站自2004年5月配备ADCP以来，每年都进行比测实验，但由于平时流量较小，只有在调水调沙期间流量才会大于2000m3/s，在2004,2006,2007,2008四年中，流量在2000m3/s以上测次共30次，各年比测次数如下表1：

表1比测年份及2000m3/s以上比测次数

2、比测实验资料

表2为各年度流量在2000m3/s以上的比测数据资料，为与2000m3/s以下流量接图，摘录部分2000m3/s以下点据。

表2各年度比测资料情况

四、比测试验数据误差分析

（一）：两种方法水位～流量关系曲线对比情况

1、综述：

因为每次测验都有各种因素所造成的一定的误差，通过定线可以基本消除这部分误差。按照临时曲线法，对流速仪和ADCP法实测点据分别定线，在总水位变幅内，每10公分一个数据，分别在线上查读ADCP及流速仪流量数据，对两种不同方法所得流量结果进行误差分析，从而判断两种测验方法数据结果的差异性。

2、水位~流量关系曲线如图1：

3、误差分析

表3各水位级两关系线相对误差

从表3可以看出，误差有如下特点：

（1）在2000m3/s～4220 m3/s流量段，ADCP测得结果比流速仪法系统偏大，相对误差数值在+1.5%～+10.2之间。

（2）相对误差数值随着水位的增高和流量的增大而增大。

4、误差成因分析

所有误差均为正值，说明ADCP测法数据普遍大于流速仪测法数据，原因可能为：

（1）、流速仪靠转子入水冲击转动来测速，而ADCP为非接触式，所以流速仪施测流量时更易受到水草等漂浮物的干扰，而且还易受到流速仪定位、流向偏角、人工计时误差等的影响，而在调水调沙期间，河水中时有水草，会对流速仪测速有一定的影响。

（2）、另一方面可以认为ADCP、流速仪是完全两种不同的两种测验方法，这两种方法确实存在测验结果上的差异，特别是随着水位的升高和流量的增大，这两种测验结果差值进一步增大。

鉴于目前流速仪测法数据每年都作为正式资料刊印，可以考虑将ADCP结果经过改正换算得到与流速仪法结果一致的数据。

5、两种方法数据结果存在相关关系

（1）建立水位与相对误差关系，经过点绘，结果发现二者是直线关系。（如下图2）

图2:

（2）用该直线概化公式y=5.4126x-731.56（Y为相对误差，X为水位），可计算求得直线概化相对误差，对原有相对误差相减得到改正后误差。

表4ADCP法与流速仪法误差修正

小结：由表4可以看出，ADCP法与流速仪法相对误差与水位关系密切，按相对误差与水位关系公式改正后ADCP法与流速仪法相对误差很小，在-0.41%～+0.30%之间，且无系统偏离。于是认为ADCP测验结果数据QA可以通过公式换算为接近流速仪法的结果QA＇,以作测验结果。

同样，由于ADCP法与流速仪法相比，所有实测点据全部系统偏大，且偏大较多，无法直接应用和进行相对误差以及随机不确定度计算，故对ADCP法实测点据按照ADCP法与流速仪法的关系进行改正后再作计算。

（二）ADCP实测点据相对误差及随机不确定度分析

1:ADCP实测点据的修正

改正公式的推导分析

表5 各水位级QA偏大数值占自身百分数

建立水位与偏大百分数关系线，经点绘，亦为直线。

图3:

由该图根据水位与相对误差关系，可得将QA修正为QA＇的公式：

QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]

式中，X为水位，QA为ADCP实测流量，QA＇为公式修正后流量。

2：误差分析

根据公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]对ADCP实测流量点据进行改正，计算其与同水位流速仪法线查流量的相对误差，以及随机不确定度。

表6 实测点据修正后与流速仪法相对误差情况

由表6可知，30个数据中，相对误差在±5%以内的29个，其中负值13个，正值17个，相对误差均值+0.1%。

根据公式X Q＇=2{[∑（（QA-QLC）/QLC）2]/(N-2)}1/2来计算随机不确定度，式中X Q＇为置信水平为95%的随机不确定度，QA表示ADCP实测流量（m3/s）；QLC表示与实测流量QA对应的相应水位在关系线上查得的流量，计算可知：置信水平为95%的随机不确定度XQ＇为5.82。

从以上统计数据来看，数据精度完全符合有关规范要求。

五：结论

1、在2000m3/s--4220 m3/s流量段，ADCP测得结果比流速仪法结果相比系统偏大，且幅度较多，超出有关规范应用要求，其结果无法直接应用。

2、ADCP法与流速仪法测得结果差异具有规律性，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]可将ADCP测验结果转化为与流速仪法一致的数据。

3、ADCP实测点据通过以上公式转化后与流速仪法相比无系统偏离，测点相对误差、测点95%置信水平的随机不确定度均符合有关规范精度要求。

4、所以在2000m3/s--4220 m3/s流量段，利用ADCP剖面流速仪测验时，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]对测验结果进行修正，即可满足有关规范精度要求，作正式资料应用。