通航河道横向ADCP比测率定分析研究

仲兆林，胡尊乐，张 喜

（江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022）

近些年来，ADCP在水文测验中得广泛的应用，已成为流量测验的重要技术手段，研究掌握并合理运用ADCP开展流量测验是当前的重要工作。茶亭河站已开展多年横向ADCP流量测验工作，积累了大量经验，通过对其历年测验成果分析研究，可以掌握ADCP在通航河道中运行的规律并计算出相关关系。

1 ADCP原理及运用

1.1 ADCP工作原理

ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器，即通过ADCP上的3～4个换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物（假定水体中颗粒物与水体流速相同）散射回来的声波。固定ADCP工作原理见图1。

图1 固定式ADCP工作示意图

当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器接收到的回波频率高。当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：

式中：FD为声学多普勒频移；FS为发射声波频率；V为颗粒物沿（或垂直）声束方向的移动速度；C为声波在水中的传播速度；“2”为系数。ADCP测算出FD、FS后，即可得出水体流速V。

1.2 横向ADCP运用

横向ADCP是安装在固定平台上进行定点垂线（或水平）流速分层测量。它通过跟踪水体中颗粒物的运动（称为“水跟踪”）来测量水流相对于ADCP（也即ADCP安装平台）的速度。当ADCP安装在固定平台上，“水跟踪”测量的流速即为水流的绝对速度。因此，固定式ADCP测出的是河流某一层横剖面的流速，见图2。

图2 固定式ADCP工作原理图

一般情况下，固定式ADCP将横剖面分成若干个单元（不同ADCP单元长度不一，同一ADCP也可以设置不同的单元长度），每40 s采集一次单元流速数据。其中：

（1）选用算术平均法滤波，时间向前偏移90 s、向后偏移90 s，不去掉最大值和最小值，用5分钟的平均点流速作为时段点流速。

（2）根据相应单元的流速vpi，通过算术平均法或加权平均法计算出横剖面的平均流速vp，即：

由于固定式H-ADCP测出的是河流某一横剖面平均流速vp，不能代表断面实际平均流速。因此，需要通过多次流量对比监测，率定出剖面平均流速vp与断面平均流速的相关关系k(vp｜，进而根据固定式ADCP在线自动监测流量Qp(Qp-vp×Sp)，得出实际过水流量（=Qp×k(vp｜))。

2 茶亭河站基本情况

南河属太湖流域湖西区南河水系，西起南京市高淳区下坝（茅东闸），向东横贯溧阳市中部，在溧阳市凤凰桥与丹金溧漕河汇合后，向东穿越宜兴市全境，并于宜兴市大浦口处汇入太湖，河道全长约82.5 km。南河是区域降水径流和丹金溧漕河来水进入太湖的重要水道，也是苏南地区重要的通航河道。主要受丹金溧漕河来水影响，水位流量变化相对平缓，在遭遇区域强降水时，受上游暴雨径流影响，会表现出明显的洪水特性。

茶亭河站位于溧阳市溧城镇牌头村，南河右岸，上游1.1 km为南河、芜申运河（改线段）、茶亭河交汇处，下游3.1 km为南河、邮芳河交汇处。测验河段河宽约93 m（主河道约70 m），河底最低高程约-0.50 m（吴淞基面，下同），属于典型的宽浅河段，河床河势基本稳定。2015年1月设为中小河流水文站，在南河右岸安装H_ADCP（FLOWSCOUT600，LINKQUES公司产品），目的在于监测南河出入溧阳市的水量，主要观测项目有水位、流量、降水量。

3 比测率定方法

根据有关规范，采用流速仪法和走航式ADCP法对茶亭河站的横向ADCP进行比测率定。其中，流速仪法比测时，依据规范，采用多根测速垂线2点法（常测法）。走航式ADCP法比测时，考虑河道水流受航运或感潮影响，一般采用一个测回进行施测，控制误差在10%以内。比测总次数不少于30次，并尽可能涵盖高、中、低水位，大、中、小流量（速）。

3.1 横向ADCP代表流速与断面平均流速相关关系

横向ADCP试验研究结果表明，一般情况下，剖面平均流速（层流速）vp与断面平均流速v的关系主要有“一元线性”、“一元二次”、“幂函数”、“复合线性”以及“二元线性”等5种。

断面平均流速v通过走航式ADCP法测流或流速仪法测流来确定。即：

式中：SHADCF表示实测水位对应的固定式ADCP的过水面积；m2（茶亭河站2015年～2017年断面均施测过，经对比计算，年度变化率小于2%。根据相关规范，比测流量计算时，可借用年初断面实测数据）。

横向ADCP试验研究成果表明，平原水网区河道断面一般均比较规则，为单一断面，横向ADCP代表流速与断面平均流速相关关系一般为“一元线性”关系。本次率定分析亦采用“一元线性”关系。

3.2 垂线流速分布

国内外长期的河道流速研究成果表明，天然河道垂线流速分布基本符合指数分布或对数分布，指数分布常以下式表达：

式中：u表示某测速垂线上z处的流速；m表示分布指数；对应不同的河床特怔和水沙特性，一般取值在1/8～1/5；Vcp表示垂线平均流速单位m/s；z表示垂线上测点z距离河床的高度单位m；h表示某垂线应用水深单位m。

3.3 单断关系率定步骤

（1）以横向ADCP采集的单元流速，经流速分布模型演算，得到各单元垂线平均流速；

（2）人工加模型优选出代表段单元，计算代表流速；

（3）代表流速与实测的断面平均流速率定关系。

3.4 关系线检验与应用范围

对率定好的代表流速vp与平均流速v相关关系，进行三项检验和随机不确定度、系统误差计算；最后分析确定率定成果的应用范围分析。

4 测定结果及分析

4.1 资料采用

2015年8月至2016年10月，共比测53次。其中，流速仪法比测39次、走航式ADCP法比测14次。流速仪为LS68-2旋杯式，走航式ADCP型号为FlowQuest2000-AFA-BC，之前多次使用，精度符合《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）要求。

经过技术分析，最终有40次测定成果参与率定分析。其中，流速仪法比测成果中有3个测次未被采用，主要原因是，受船只过往影响，断面流速分布不符合常态。走航式ADCP法比测成果中有10个测次未被采用，主要原因是：一、测验时受船只过往影响，断面流速分布不符合常态，且测回误差超出允许范围；二、距离横向ADCP断面过近，可能受到干扰。

4.2 率定成果

（1）代表流速计算区间：第11个单元（起点距29 m）到第42个单元（起点距60 m）；

（2）单断关系系数 K：0.877，即：v=0.877×vp。

4.3 三项检验以及误差分析

三项检验均通过，随机不确定值、相对误差均符合《中小河流水文监测系统测验指导意见》相关要求。其中，随机不确定值为18.76%，平均相对误差为-0.34%，最大相对误差为22.62%。单元流速断面分布见图3，茶亭河站单断关系线图见图4。

图3 茶亭河站单元流速分布示意图

图4 茶亭河站单断关系线图

4.4 应用条件分析

（1）水位、流量适用范围

2016年，溧阳市遭遇特大暴雨洪水，溧阳站年降水量为2307.6 mm，是多年平均值（1167.5 mm，1951年～2016年，下同）的1.98倍，为历史实测资料第一位。受暴雨影响，茶亭河站全年水位较高，且出现3场较大的洪水过程；年平均水位为3.85 m，对应平均水深为3.27 m；最高水位为6.27 m（7月5日），为历史实测资料第一位；最低水位为3.05 m（3月30日）。

本次率定分析中，实测水位在3.17 m～5.85 m之间，为年际水位变幅（3.36 m）的80%左右。另外，根据《水文资料整编规范》（SL247-2012），高水位可上延30%，低水位可下延15%，本次率定成果可使用水位范围为2.77 m～6.65 m。实测流量在0.869 m3/s～311 m3/s之间，为年际流量变幅（311 m3/s）的100%左右。

因此，茶亭河站单断率定关系基本涵盖多年水位、年际流量变幅范围，全年各水期均适用。

（2）横向ADCP位置合理性分析

根据茶亭河站上游溧阳（二）站水文统计资料，该站附近河段历史最低水位发生在20世纪70年代（1971年），之后的几十年，流域、区域水系和水利工程体系以及水资源保障条件等均已发生了极大改变，因此以近十年最低水位（2.91 m）和多年平均水位（3.52 m）来分析该站横向ADCP位置的合理性。

分析方法：计算相对水深（横向ADCP探头所对应的平均水深与某一水位下平均水深之比）是否符合横向ADCP设备特性要求。

茶亭河站横向ADCP安装位置合理性分析成果见表1。

表1 茶亭河站横向ADCP安装位置合理性分析表

由表1可知，茶亭河站横向ADCP位置在0.41～0.88相对水深范围，基本符合设备特性要求。

5 结语

通航河道茶亭河站横向ADCP近三年来运行结果分析研究可知，横向ADCP探头安装在0.41～0.88相对水深范围可以充分抵消船只带来的不利影响。平原水网区河道断面一般比较规则，为单一断面，横向ADCP代表流速与断面平均流速相关关系一般为“一元线性”关系。