基于声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的应用研究

陈福春，唐晶晶，康修洪，邓凌毅

（江西省水文局，江西 南昌 330002）

1 概况

传统的流量测验方法主要有流速仪法、浮标法等，测验手段有人工船测、缆道测量等，这些测验方法原理简单明了、实用性强，但费工费时，效率低。为适应新时期经济社会发展和防汛工作的需要，及时向各级防汛抗旱部门提供准确的水文信息，特别是在大洪水时，要快速采集河流的洪水流量数据，声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测流有其不可比拟的优越性。其优越性主要体现在：现代化水平高，符合现代化水文的要求；适时性强，可及时向防汛抗旱指挥部门提供实时水文信息；测流历时短，安装使用方便，测量时不扰动流场，测速范围广，测验精度高；大大节省了人力、物力、财力，同时由于缩短了测量时间，有利于安全生产。

声学多普勒流速剖面仪（ADCP）应用于属于内陆河流的赣江，其适用性如何，不同测验参数的设置和各种测验条件对结果的影响程度，与传统的流速仪法实测流量比较数据差别的大小，所得成果是否符合规范要求，该仪器是否能在江西省推广应用，按照《声学多普勒流量测验规范（SL337-2006）》要求，以所述种种都需要通过试验研究确定。

2 实验环境

吉安水文站位于江西省吉安市吉州区，是长江流域赣江中游主要控制站，属国家重要水文站，集水面积56223 km2，距河口240 km。该站设立于1931年，目前主要测报项目有：水位、降水量、水质、流量、悬移质含沙量、泥沙颗粒分析和水文情报预报，担负向国家防汛抗旱总指挥部、长江防汛抗旱总指挥部、江西省防汛抗旱总指挥部和吉安、宜春、九江市防汛抗旱指挥部办公室等12个单位的雨水情报汛及洪水预报任务，向沿江两岸提供水文情报预报服务。

吉安水文站测验河道大致顺直，河床由中沙及卵石组成，断面宽在中低水位时约700 m，高水位时约800 m。测验断面主槽为“W”型，主流位于左侧，水位在43 m左右断面开始出现沙洲。由于河道取沙，断面上、下游形成大量沙石堆，对低水水流有影响。上游113 km处1993年建成万安水利枢纽，由于水库泥沙沉积，多年平均悬移质输沙量由建库前的748×104t减少至建库后的318×104t。

吉安水文站实测历史最高水位54.05 m（黄海高程），实测历史最低水位42.10 m（黄海高程），实测最大流量 19600 m3/s，实测最大流速 3.59 m/s，实测最大含沙量 1.81 kg/m3，实测最大年降水量 2183.1 mm。吉安水文站水位级划分为：44.5 m（吴淞基面，下同）以下为低水位，44.5～48.0 m 为中水位，48.0 m 以上为高水位。

3 研究方法

ADCP与流速仪法测流在吉安水文站比测试验内容主要有：垂线流速测定对比、垂线水深测定对比、流量测定对比。

ADCP法与流速仪法流量比测按高中低水位级均匀布设测次。进行流量测验时，流速仪测流开始用ADCP测一测回（1个往返），测量结束后再用ADCP测一测回。ADCP测量时，测船航速控制在小于断面最大流速内，位置尽量控制在流速仪测流断面。流速仪测量在测流断面固定垂线上进行。比测垂线水深及垂线平均流速时，在流速仪法测定固定垂线同时在ADCP操作软件上读取垂线水深及垂线平均流速。

3.1 ADCP 流量计算

3.1.1 实测区域流量计算

ADCP基于如下的公式计算实测区流量：

式中：QM—断面流量，m3/s；

s—河流某断面部分面积，m2；u—河流断面某点处流速矢量；

ξ—作业船航迹上的单位法线矢量；

d s—河流断面上微单元面积，m2。

3.1.2 非实测区域流量估算

（1）岸边区域流量估算

式中：QNB—岸边区域流量，m3/s；

Vm—起点微断面（或终点微断面）内的平均流速，m/s；

Aa—岸边区域面积，m2；

α—岸边流速系数，按流速仪法取值，吉安站左右岸均为 0.85。

（2）表层和底层流量推算

表层和底层平均流速借助于指数流速剖面来推算：

式中：u—离河底高度z处的流速，m/s；

u＊—河底摩阻流速，m/s；

z0—河底粗糙高度；

b—经验常数，取1/6。

3.2 流速比测

ADCP法和流速仪法的流速比测，收集比测资料14次，每次分别记录了13根垂线平均流速，共计182根垂线。在14次182根垂线流速比测中（有3根垂线比测经分析属明显不合理，故作为特殊点，不参加误差评定），高水测次4次，测速垂线52根，中水测次7次，测速垂线91根，低水测次3次，测速垂线36根。比测的水位变幅 43.52～50.12 m，ADCP 法测定流速变幅0.11～1.84 m/s，流速仪法测定流速变幅 0.09～1.86 m/s。

3.3 水深比测

ADCP法和水文绞车的水深比测，收集比测资料14次（同流速比测测次），每次分别记录了13根垂线水深，共计182根垂线。在14次182根垂线水深比测的资料中，高水测次4次，垂线52根，中水测次7次，垂线91根，低水测次3次，垂线39根。比测的水位变幅43.52～50.12 m，ADCP 法测定水深变幅 0.47～10.6 m，绞车测定水深变幅 0.54～10.8 m。

3.4 流量比测

ADCP法和流速仪法的流量比测，收集比测资料54次，其中高水测次18次，中水测次28次，低水测次8 次。 比测的水位变幅 43.41～50.66 m，ADCP 法测定流量变幅635～9220 m3/s，流速仪法测定流量变幅647～9580 m3/s。

3.5 非实测区流量比测

吉安水文站流速仪法实测流量为固定测速垂线，当出现相关规范中规定的应调整或补充测速垂线的情况时，则对测速测深垂线做出调整或补充，岸边部分流速计算以靠岸边垂线平均流速乘以岸边流速系数α得。ADCP法施测时测船尽量靠近两岸岸边，测船距岸边一般在4～10 m，从记录的20次比测资料分析，左右岸非实测区流量在20 m3/s以内，占断面总流量的0.1%～0.7%，均未超过 1%。

流速仪法实测流速是在固定垂线上，而ADCP法实测左右岸边部分流量时，最边垂线是任意的，由于左右岸边流速仪法测速垂线与ADCP法靠岸边实测垂线不在同一位置，又左右岸非实测区流量占断面总流量的比重较小，故岸边部分流量未进行比测。

3.6 误差评定依据

根据《河流流量测验规范》（GB50179-93）和《水文测验手册》有关规定，以流速仪法实测水文要素为标准值，统计ADCP法实测水文要素与流速仪法实测水文要素的误差，误差评定标准为：垂线平均流速和水深的随机不确定度不超过3%，比测条件差的随机不确定度不超过5%，系统偏差不超过±1%，标准差不超过±5%；断面流量的随机不确定度不超过5%，系统偏差不超过±1%，标准差不超过±5%。同时以水位流量关系定线的标准（75%以上的中高水点与平均关系曲线的偏离不超过±5%，75%以上的低水与平均关系曲线的偏离不超过±8%）作为评定ADCP法和流速仪法流量比测误差的另一标准。

4 试验研究成果

4.1 流速比测

ADCP法和流速仪法流速比测误差评定结果，详见表1。

ADCP法与流速仪法流速比测，所测流速在低水位级时，系统误差符合规范要求，但随机不确定度超出规范规定。在高、中水位级时系统误差和随机不确定度均超出规范规定，主要原因在于高、中水位级存在河底床沙运动和测船摆动及两种仪器测速位置不对应所致。

4.2 水深比测

ADCP法和水文绞车的水深比测误差评定结果，见表2。

表1 吉安水文站流速比测误差评定表%

表2 吉安水文站水深比测成果评定表%

ADCP法与绞车法测定水深相关线呈近45°直线，二者具有很好的相关性，表明ADCP测定水深总体与绞车测定水深相等。但随机不确定度超标，其原因是两种仪器很难做到在同一测点上测深，测点之间存在间距。

4.3 流量比测

ADCP法和流速仪法流量相关图见图1，误差评定结果见表3。

分析表3，吉安水文站ADCP法与流速仪法流量比测，有较高的合格率，但在高、中水时系统误差偏小，其误差超出规范规定，其原因主要为高水时含沙量大，床沙的动河床效应明显，使ADCP测得的流速偏小，而且水位越高，误差越大。从图1可见，水位从46.5 m起，ADCP法与流速仪法流量点据出现分叉，并且随水位增高分叉越大，也说明高中水位级ADCP法测得的流量较流速仪法测得的流量随着水位增高误差逐渐增大。

4.4 ADCP实测流量修正分析

通过ADCP法与流速仪法的流量比测分析，ADCP法实测流量较流速仪法实测流量呈系统偏小趋势，且随水位增高，偏差越大。为此，可与流速仪实测流量做进一步的相关分析，探求其可适用性。

ADCP法测定流量与流速仪法测定流量从关系线分析，水位自45 m起，二者关系线出现分叉，且随水位增高，分叉越大，自水位45 m起，水位每增高0.1 m，分叉线上流量的差值约为5 m3/s，至所定流量线最高水位51 m，差值约300 m3/s，根据此关系，以ADCP测定时的水位（H）做参证，建立（修正水位大于等于45 m所测ADCP 流量）修正关系为：QADCP修正＝（H-45）/0.02，将此修正流量加上ADCP测定流量，为修正后的ADCP流量。

由于ADCP法测定流量随着水位的增高与流速仪法测定流量的差值呈线性关系，故可利用此相关关系和水位求出修正后的ADCP流量，再与流速仪法测定流量进行误差评定。

经过修正后的ADCP流量与流速仪法实测流量的误差评定结果见表4。结果显示，修正后的比测误差符合评定依据的要求，表明吉安水文站ADCP实测流量经修正后，误差未超出规范要求，可作为常规流量测验成果。

图1 吉安水文站ADCP法与流速仪法水位流量关系图

表3 吉安站流量比测成果评定表%

5 存在问题与建议

吉安水文站高、中水位级ADCP法与流速仪法流速比测可取得较高的精度，而低水位级的合格率比高、中水位级偏低，主要原因为低水ADCP法测速受行船不稳定影响，或水深太浅，流速紊乱所致。

各水位级ADCP法测定水深与绞车法测定水深二者有很好的相关性。

从ADCP在吉安水文站比测试验情况分析，主要存在问题：中低水位级实测流量ADCP法与流速仪法基本相符，而高水位级实测流量ADCP法较流速仪法呈系统偏小趋势，且随水位增高偏差增大；高、中水位级存在底沙运动，导致底跟踪失效，测定的船速失真，水流流速偏小。

因此，针对存在的问题，笔者建议：配备GPS，采用GPS测量船速，以消除有底沙运动时的影响；配备手持测距仪，测定ADCP至岸边距离；配备GPS后，应重新与流速仪法进行比测分析。

表4 修正ADCP流量后误差评定表%

由于ADCP法测定流量随着水位的增高与流速仪法测定流量的差值呈线性关系，利用此相关关系和水位求出修正后的ADCP流量，误差评定符合要求，表明吉安水文站ADCP实测流量经修正后，误差未超出规范要求，可作为常规流量测验成果。