提高ADCP在变动回水区的流量测验精度

陈宏乾，石 令

（长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 401120）

引言

三峡工程175 m（吴淞高程）蓄水运行后，长江上游涪陵至娄溪沟河段成为变动回水区。该河段属典型的山区河流，航道具有“弯、浅、险、窄、急”的典型特征，水流比较紊乱，岸边石嘴、石梁众多大小礁石常见，地形十分复杂。随着三峡枢纽蓄水、消落的水位调节影响，河床在蓄水期因水流变缓，逐渐淤积，在消落期因水流流速增大，对河床造成冲刷，库区水位变化对河床地形影响较大。铜锣峡水文测量项目位于水流条件及河床地形十分复杂的变动回水区，其流量测验包括三个测次（枯水、中水、洪水），为了方便数据的对比分析，采用固定断面及测速垂线点测流。在复杂的水流环境下，提高走航式ADCP流量测验精度是本项目工作难点。

1 影响ADCP流量测验精度的因素

1）仪器本身的系统误差、仪器标称参数与测区情况不匹配等。

2）水流条件及河床地形环境。

3）人为误差：如仪器按装不正确；断面布置不合理；参数设置不正确；测船航速不稳定；数据处理不合理；水深测量误差等。

2 仪器合理选择与正确安装

2.1 选择合适频率的测量设备

1）断面水深测量：采用双频GPS接收机结合HY1600型单频测深仪。

2）断面流量测验：流速测验采用瑞江600 kHz型声学多普勒流速剖面仪。

图1 声学多普勒流速剖面仪（ADCP）

2.2 正确安装ADCP设备

根据以往测量经验，安装ADCP是否正确直接影响测量的精度和质量。ADCP用支架牢固安装在测量船弦的右侧且离测船的距离大于0.5 m为宜，并呈自然垂直状态，3#标识箭头平行船体轴线。根据测船吃水、航速、流速等因素综合考虑设置测流仪的吃水为0.5 m。

图2 ADCP安装

3 提高流量测验精度方法

3.1 布设测流断面

根据收集测区以往不同水位的水下地形、表面流速流向、航迹线等资料和现场踏勘情况，进行综合分析布置测流断面。测流断面应避开丛生水草、回流、斜流、死水、江中独石等不利影响，要考虑不同水位观测时设备的安全。测流断面应尽量选在水流平缓、水面宽阔、无浅滩的顺直河段。

3.2 正确设置测流软件参数

合理设置层厚（WS）和层数（WN）利于提高流量测验的精度。层厚越小垂线上实测数据点越多，即流速分辨率越高，越接近实际流速值，可以使表层、底层的盲区相对减小。实测范围相对增加，提高了测量精度，但是在水深不变的情况下，层厚越小层数就越多，采集的数据就越多，数据传输就变慢，会降低测流断面上剖面总数，导致流速剖面横向分辨率下降。如铜锣峡DM9断面最大水深67 m、平均水深42 m，结合仪器参数综合分析确定层厚（WS）设置100 cm，层数（WN）设置80层比较合理。

3.3 减小断面水深测量误差

变动回水区含沙量高，用单频测深仪施测断面水深，有效地解决ADCP不能正常“底跟踪”的水深失真问题。断面水深测量的精度直接影响河道过水断面的面积，因此减小断面水深测量误差扰为重要。

减小断面水深测量误差：

1）换能器安装和GPS流动站安装位置要保证定位中心与测深中心一致性。

2）在进行水深测量前、后，要对换能器吃水、测深仪配置参数进行现场比对校正。换能器吃水采用钢卷尺直接量取水面至换能器底部距离的方式。测深仪校正选取在静水区，先用温度计量测水温，然后用声速剖面仪量取当天本河段有代表性的水中声速，并把声速值等相关数据输入测深仪中进行参数设置。水深测量正式开始前还要通过用杆测的方式对测深仪水深进行比对检查，并做好比测记录，确认精度满足要求后才开始观测。

3）测点间距不大于实地5 m，断面地形特征位置适当加密。

4）测量过程中保证流动站定位模式处于固定解模式，当RTK定位模式为浮点解或单点定位时，则停止作业，重新初始化GPS接收机。

图3 声速剖面仪mini SVP测量声速

3.4 规范ADCP测量过程

1）控制测船船速：ADCP仪器参数设置后，测船横渡的速度直接影响ADCP流量测验的精度，当流速相同的条件下，水越深仪器接收的反射信号越慢。当船速过快时往往接收的数据不全，影响到流速分辨率。会增大盲区面积，甚至造成数据不连续。因此测船在施测过程中，测船始终保持慢车且尽量保持匀速运动，若条件允许船速接近或略小于水流速度为宜。在确保回波信号质量良好和各种噪声水平较低的前提下，最大船速可按下式计算：

式中：

ν为最大船速；

θ为沿测船行进方向波束角(°)；

Hm为测区某一测段的最浅水深(m)；一般调查作业，且水深变化较小时刻使用测区平均水深；

n为多波束每秒的采样数。

2）每次施测均从左岸→右岸、右岸→左岸，施测两个来回，取所测断面流量的平均值作为实测流量值，并对施测时间及断面流量进行现场记录。

3）两岸测至ADCP盲区水深处，以提高测量精度。在开始记录和结速记录之前要尽量保持测船一定时间内（15 s）基本稳定在一个位置上，尽量少漂移，这样有利于测量岸边的距离及采集岸边区域有代表性的流速。

4）当测船在GPS实时导航下到达测速垂线点区域后，测船保持船位相对不动，此时ADCP开始实施垂线流速和流向观测，采集数据不少于30组，取其平均值作为垂线实测流速流向值。

3.5 测速垂线加密处理

根据河道的宽度、水深、流态等综合考虑布设测速垂线。测速垂线应能控制地形和反映断面流速横向分布状态，大致均匀布设，主流区域比边滩密集，其位置应尽可能固定，以便于测流成果的比较，了解断面冲淤与流速变化情况，在水深或流速最大的位置要布设垂线，测流断面上最少垂线数目根据河面宽度而定，一般规定如表1。

表1 测流断面垂线数

注：河口地区可适当放宽。

水位涨落或河岸冲淤，使靠岸边的垂线离岸边距离太远或流态变化较大的地方（流水与回水、死水分界线处）适当增加垂线点。详细区分死（回）水面积，有利于提高流量测验精度。垂线点加密位置如图4。

图4 垂线点加密

3.6 利用流向偏角改正流速

在走航式测流过程中会遇到斜流，特别是有枯水、中水、洪水测次的固定断面，由于水位不同流向相差特别大，斜流不可避免。利用流向偏角改正流速，可以解决斜流问题，是提高ADCP在变动回水区的流量测验精度常用方法之一。表2为距离七点73 m处水深21.7 m的改正流速值。

图5 垂线有斜流

表2 用流向偏角改正流速

3.7 顶层、底层盲区处理及闭塞差控制

施测中对于ADCP顶层、底层盲区的处理采用幂指数法进行估算，幂指数均采用0.1667（经验值，适用于大部分河流），对于岸边流量的估算则根据实测的大断面图形分别采用0.5～0.9系数进行处理。测流断面流量闭塞差控制在5 %以内，按下式计算：

单一河段：

分汊河段：

式中：

δ为流量闭塞相对误差（用%表示）；mQ为单一河段，首尾控制断面流量的平均值（3m/s）；

Qi为单一河段，第i个断面的流量（m3/s）；

Qmn为分汊前或汇合后干流控制断面的流量（m3/s）；

ΣQt为各汊道进口或出口控制断面流量的总和（m3/s）。

4 精度比对

三峡库区变动回水区铜锣峡水文观测项目ADCP流量测验数据与同时间段寸滩水文站（铜锣峡下游8 km且中间无支流）的预报流量相敏合。经计算DM10、DM9、DM8的实测流量与计算流量较差分别为1.47 %、-1.22 %、-0.40 %（均小于5 %），说明测量数据可靠。精度比对结果表明：以上提高ADCP在三峡库区变动回水区的流量测验的方法是可行的。

表3 铜锣峡与寸滩流量对比

5 结语

走航式ADCP流量测验仍然是一项较新的技术。随着科学技术的不断发展，在信号处理技术上由窄带ADCP发展为宽带ADCP，外观上将向轻巧、精密、智能化、多用途方向发展，ADCP仪器本身测量精度也不断提高。

通过以上的方法，提高ADCP在三峡库区变动回水区的流量测验精度取得了一定的效果，积累了经验，但是影响ADCP测量精度因素较多（仪器误差、水位变化、过往船只影响、泥沙含量相差较大等），在以后的流量测验过程中，还要根据实际情况灵活运用。