大青河水文站ADCP流量比测分析

钟 超

（阿勒泰水文勘测局,新疆 阿勒泰 836500）

1 流域概况

海河流域支流大青河位于新疆阿勒泰地区青河县，在县城南侧汇入青格里河，流域集水面积3297 km2，平均比降3.78‰，上游土石山区平均海拔1496 m，植被覆盖良好，中游黄土塬区古坡陡峭，水土流失严重。流域内呈典型的暖温带大陆性干旱季风气候，冬季严寒夏季炎热，降水集中在7月～10月，暴雨洪水陡涨陡落。流域内重要的控制站大青河水文站最大实测流量498 m3/s，测站所在流域左岸岸基河道弯曲，河床岩层条件为砂砾石、卵石及红砂岩，在水蚀及冻害作用下，塌岸频发，水文要素观测存在很大难度。

2 测流仪器设备

大青河水文站河床地质条件复杂，左岸冲淤变化明显，ADCP测流因铁质测船在底跟踪施测测船速度不明时而导致河床底部施测流量明显偏小。本分析过程采用高精度差分GPS、GPS数字化罗经仪与ADCP组合构成的ADCP测流系统，能有效解决铁质测船因底跟踪施测测船速度不明而引起的流量偏小问题，提升测速和流量计算精度。本次测流所使用仪器设备及性能情况见表1。

表1 大青河水文站测流所使用仪器设备

3 流量比测过程及结果分析

3.1 流量比测过程

大青河水文站所采用的传统测流方法包括船测法、缆道流速仪测流、水文绞车测深。缆道流速仪测流是在施测断面根据实际需要均匀布设测速垂线，在各断面内进行垂线上一点或多点流速的测验，通常采用的是流量测验一点法（0.6），测点相对固定，再进行部分面积测流，最后加总求和测验断面的流量。而ADCP测流则可以将单条测深垂线划分为128 个测验单元，能够从河道的一岸运动到另一岸，并结合GPS、罗经仪进行位置的确定，通过声学多普勒原理测出不同水深所对应的水体流速，再通过积分法求得断面流量。

在运用ADCP测流的过程中，首先进行不同深度的深度单元设置，也就是将测流断面划分为若干子断面，通过声波的不断发射，确定发射时间间隔和滞后间隔，并采用多普勒频谱宽度在各个子断面测量垂线上一点或多点进行水流流速与水体深度的估算，再叠加各子断面水流流速，便可得到整个断面的流速流量值[1]。ADCP测流与缆道流速仪测流都是通过布设多条垂线而将全部测流断面划分为若干子断面，通过测量子断面垂线处水深及多点流速而得到子断面平均流速。但是ADCP测流突破了缆道流速仪测流方式的局限性，不要求测流断面与河岸垂直，施测更加方便，在测船航行过程中采样率高，数据质量有保证，免于扰动流场、施测历时短，测速范围大。

ADCP测流应尽量增大实测区域，测船在有效的测量区域内尽量靠近边岸，尽可能减少换能器入水深度。测流过程中，确保ADCP与缆道流速仪同步施测，缆道流速仪测流结束后继续使ADCP走航测流一个半测回，ADCP共测流四次，并保证每次所测流量与四次测流平均值的相对误差在5%范围内，若超出，则应补测一个测次。为确定ADCP在大青河水文站所适用的水位流量范围，比测试验在不同水位流量及来水来沙条件下进行，并与缆道流速仪测流进行比较，分析ADCP与缆道流速仪测流资料系列之间的相关关系，按照《水文资料整编规范》（SL 247-99）进行缆道流速仪实测流量与ADCP断面平均流量数据的对比与精度检验。

3.2 流量比测结果及分析

本次比测结果参考值采用缆道流速仪测流流量结果，进行缆道流速仪测流与ADCP测流结果的比测分析，断面面积、水面宽、流速均值、流量均值等见表2。

表2 实测流量成果对比情况

由表2可知，缆道流速仪测流和ADCP测流断面流量均值相对偏差并不一致，两种测流成果中断面面积也不相同，但同一时刻同一断面面积应当相同，造成这种差异的原因主要是ADCP本身的系统误差及测验误差。缆道流速仪法主要通过面积包围的方法计算流量（图1），根据测验规范，各水文要素精度达到要求，能够作为标准值使用。而ADCP测流则主要通过各个测流单元流量的累加、水面与河底盲区、两岸盲区等三部分的加总而得到断面流量值[2]，其中的单元流量及水面河底盲区流量偏差均构成ADCP本身的系统误差，而两岸盲阻流量计算结果的准确与否与施测过程中水边距离的设定情况有关。

通过进一步分析不难发现，表1中ADCP测流第1、3、4测次中水面宽度并不合理，经过对原始资料的仔细校核发现，第3测次中水面宽的设置存在误差，结合水深情况进一步调整并分析计算得，本次流量应该是220 m3/s。第1、4 测次的水面宽也存在一定误差，主要原因在于ADCP测流中水面宽的设置主要依靠目测，对岸距离较远则很容易产生视觉误差。经过矫正后，第1 测次断面流量均值调整为125 m3/s，第4 测次断面流量均值调整为240 m3/s。缆道流速仪测流结果与ADCP结果存在较大的系统性偏差，经过深入分析发现，本次ADCP测流探头入水深度值设置为5 cm，而实测时入水实际深度为9 cm，进行系统偏差修正后，共进行18 次比测，所得到的比测成果见表3。

表3 系统偏差修正后的比测成果

图1 缆道流速仪测流与ADCP测流相关关系图

比测试验提取不同水位同步流量实际测量资料，并点绘缆道流速仪测流与ADCP测流相关关系图（见图1），相关关系为0.9876，进行缆道流速仪与ADCP测速的折算系数率定，结果为1.0016，以单次流量测验所允许的误差为参考，高水控制在5.5%，中水控制在6.8%，低水控制在9.6%，可见，比测系统误差符合《河流流量测验规范》（GB 50179-93）的精度要求，缆道流速仪与ADCP测速的折算系数可以用于流域断面ADCP测流过程。

3.3 大断面的获取

采用测流缆道将ADCP从河道左岸拖拽到右岸，并尽可能保证ADCP运动轨迹与河岸垂直以及与水文缆道测流断面平行，则ADCP测流过程中，其航行轨迹必将与测流断面重合。ADCP测流过程中能测量出水面至各测验单元的距离，所以借助专用软件便可得到流速大小等值图，从而直接反应各断面及测验单元实际情况，河底构成其外部轮廓线，同时能较为直观的将大断面图反应在流速大小等值图上，在图中当鼠标指向轮廓线时，便可显示出水深、流速等数据，通过提取数据便可得到ADCP大断面图。由于ADCP子断面较为密集，河床分辨率也十分高，所以其所获得大断面河底较为平滑，而缆道流速仪所获得大断面河底存在轻微的锯齿现象。由于ADCP从左岸向右岸移动时在起点和终点位置难以与水边重合，河岸两端水体并未与河岸连接，实际应用时应依据河床具体情况，若河岸河床为宽潜式，且水深无法达到ADCP测流要求，则应改用缆道流速仪测流。

4 结论

通过不同断面传统流速仪测流与ADCP测流比测可以看出，ADCP测流精度受诸多因素影响，而且断面选择非常重要，为提升测流精度，应尽量选择顺直、含沙量小、无紊流的河道断面施测，并尽可能避免悬浮物质的不利影响。为确保测流精度，可以考虑增加ADCP回测，并通过取其均值以有效降低水面波浪、河床推移质、紊流等不利水流环境对测流结果的影响。实践证明，ADCP测流结果精度高，而且能实现在线实时测流，在水文领域应用前景十分广泛，是未来测流的必然趋势。当前《声学多普勒流量测验规范》（SL 337-2006）已经实施，在ADCP测量前应当合理制定河道比测方案，充分发掘传统测流与现代测验方法的衔接点，实现理论研究与实际应用的有机结合，不断推动ADCP测流技术的应用与发展。