浅谈在线ADCP在荆山水文站水文测验中的比测分析及应用

浅谈在线ADCP在荆山水文站水文测验中的比测分析及应用

莫瑞文

莫瑞文

广东省水文局阳江水文测报中心529700

摘要：在线ADCP水文测验是一种目前测量河流流量较为先进的技术。本文通过在线ADCP在荆山水文站水文测验中的应用实例，分析其在漠阳江流域潭水河控制站中的比测数据，介绍了在线ADCP仪定点测流的成功应用，并对出现的一些技术处理问题进行探讨，以期在线ADCP水文测验技术能更好更广泛地推广应用。

关键词：在线ADCP；比测分析；荆山

1荆山水文站基本情况

荆山水文站建于1958年6月，位于广东省漠阳江一级支流潭水河的中下游，该站距离河口38km，集水面积950km2，为漠阳江流域的江河治理、防汛抗旱、水资源开发利用以及水工程的建设管理，系统地收集水文资料。测验项目有：水位、流量、降雨量、泥沙、蒸发等项目。建站以来，实测最高水位25.10m，出现日期为1973年08月13日，相应流量2390m3/s；调查最高水位26.10m，出现日期为1939年5月22日。

荆山水文站控制的河流是典型的山区河流，洪水过程暴涨暴退，洪水时漂浮物多，给流量测验工作带来很大的难度和危险性。为改善流量测验的时效性，该站更新了半自动缆道流量测验的常规测流法，2007年9月，引进了美国SonTek公司“淘金者—SL”（ArgonantSL）500kHz型侧视式声学多普勒流速剖面仪（以下简称在线ADCP）。

2在线ADCP测流工作原理

在线ADCP是一种“声学多普勒流速仪”，它配备有4个换能器，与仪器轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波能量集中于较窄的范围内，称为声束。换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。这些声脉冲碰到水体中悬浮的随水体运动的微粒时，声脉冲将被运动的微粒所散射，散射脉冲频率将发生变化，该频率和发射脉冲频率之差即为多普勒频差。多普勒频差与光的波长成反比，与声学系统的几何参数及粒子运动速度成正比。当确定在线ADCP波长和几何参数后，只要检测出多普勒频差，就可以确定运动的速度了。在线ADCP向水体发射声脉冲，测出水体相对于在线ADCP的速度；在线ADCP同时还向河底发射底跟踪声脉冲，测出在线ADCP相对于河底的运动速度，然后算出水流相对于河底的真实流速。

3比测目的和测量方法

本分析的目的是研究在线ADCP测量的指标流速和缆道测流的平均断面流速的相关关系，获得本站在线ADCP流量计算率定公式；分析两种仪器数据，获知在线ADCP测验的稳定性和准确性，以判定本站能否采用在线ADCP替代传统流速仪测流。

本次比测采用传统流速仪与在线ADCP同步测量，然后筛选出对应时段的在线ADCP数据并求出在线ADCP指标流速，与缆道流速进行比较分析，确定两者的相关关系。

4测验数据处理分析

4.1资料的三性审查

本次分析采用2007年9月至2009年9月的资料成果，共有与传统流速仪实测相对应的实测流量资料67份。其中实测流量相应最高水位为22.59m，最低水位为16.66m，占历史水位变幅的69%，具有较好的代表性。

4.2收集方法及情况

经筛查突变数据后，取61组数据参与分析。

4.3水位比测分析

为了验证在线ADCP系统高程设置是否正确，用基本水尺每天8时水位与在线ADCP相应时刻数据进行比较。经过分析得出，两者差值基本在0～2cm内，平均相对误差为0。因此，系统高程设置正确，不存在系统偏差。

4.4总体及各水位级数据的分析率定

4.4.1总体数据的分析率定

在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图见表2，通过对数据组进行线性回归分析，结果如下：回归公式：y=0.7954x+0.0336

复相关系数：R2=0.9946

随机不确定度：18%

系统误差：0.85%

率定后，随机不确定度不符合规范要求（二类精度水文站的系统误差≤1%，随机不确定度≤10%）。

表2在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图

4.4.2低水位的比测

在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图见表3，通过对数据组进行线性回归分析，结果如下：回归公式：y=0.5651x+0.0589

复相关系数：R2=0.8286

随机不确定度：25%

系统误差：0.15%

率定后，随机不确定度不符合规范要求。

表3低水位的在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图

4.4.3中水位的比测

在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图见表4，通过对数据组进行线性回归分析，结果如下：回归公式：y=0.7415x+0.0654

复相关系数：R2=0.9662

随机不确定度：19.8%

系统误差：0.79%

率定后，系统误差为0.79%≤±1%，但标准差Se=9.9%，随机误差为19.8%>10%，没有达到规范规定的精度要求。

表4中水位的在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图

4.4.4高水位的比测

在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图见表5，通过对数据组进行线性回归分析，结果如下：回归公式：y=0.8897x–0.1246

复相关系数：R2=0.9925

随机不确定度：7.2%

系统误差：0.15%

率定后，随机不确定度和系统误差均符合规范要求（二类精度水文站的系统误差≤1，随机不确定度≤10%）。然后对关系曲线进行三线检验，全部通过，认为定线正确。

表5高水位的在线ADCP流速～断面平均流速关系曲线图

4.5率定成果

根据流量Q=V查·A，得出计算流量，跟流速仪断面平均流量作对比，得出各水位级的率定合格率见表6。

表6各水位级的合格率表

5误差原因分析

5.1相关关系或模型造成的误差分析

总的来说，造成在线ADCP测量产生误差的原因有以下三个方面：第一，在线ADCP是同时测量整个断面的流速，而流速仪是单点测量。第二，当受到漂浮物影响，在线ADCP实测流速会出现偏小。第三，由于在线ADCP测验断面并不是处于顺直河道上，受到一定的变动回水影响，当流速较小时，变动回水影响尤为显著。

5.2断面冲淤变化引起的误差分析

通过分析，本站的缆道测流断面和在线ADCP测流断面基本保持稳定，故断面冲淤变化对流量测验的影响较小，所引起的误差可不作考虑。但计算流量的所用的断面面积为相应水位下的缆道测流面积，因此每年汛前汛后应至少对该断面测量一次，以减少断面冲淤变化引起的误差。

从上述分析来看，在高水位时，在线ADCP指标流速与流速仪实测流速具有显著相关性。因此可以使用回归公式把实时的在线ADCP指标流速转换成断面平均流速，以在线ADCP自动测验的方式代替多垂线测验。在中低水位下，由于精度不符合规范要求，暂不投入应用。中水位由于数据量不足，建议继续比测。低水位时考虑到受变动回水影响显著，继续使用传统流速仪测流。

6结语

在线ADCP在荆山站的应用虽然不能完全取代缆道常规测流，但它在高水位下的成功应用，较好地解决了洪水暴涨暴退和漂浮物多给流量测验工作带来很大的难度和危险的问题，大大提高了测验工作的安全性和快捷性，为河道的流速流量测验的在线监测提供依据，为潭水河流域的水文预报和测验工作提供更为有效的技术手段，对加快实现水文现代化建设有着重要的意义。

参考文献：

[1]陆德中，桂志成，胡四友.在线ADCP数据技术处理及应用[J].长江工程职业技术学院学报.2006（04）；

[2]许敬锋.在线ADCP·流速仪流量相关系数分析[J].水利科技与经济.2011（06）；

[3]赵天昌，苏轶.在线ADCP测流与传统测流的比较及应用[J].治淮.2008（06）.