走航式声学多普勒流速仪在黑龙江干流流量测验中的应用

满春香，刘阳明，柳 恒

（松辽委水文局黑龙江上游水文局，黑龙江 黑河 164300）

随着水文测验技术的发展，声学多普勒技术在流量测验的应用中日趋成熟。松辽委水文局黑龙江水文局引进了声学多普勒流速仪（以下简称ADP），分别在黑龙江干流的洛古河、上马厂、卡伦山水文站进行畅流期流量比测分析试验。通过走航式ADP测流技术与船载转子式流速仪测量技术的对比分析，验证ADP在黑龙江干流上进行流量测验的精度和推广应用价值。

1 试验内容与资料收集方法

使用ADP和转子式流速仪同时对固定断面进行流量测验，通过对测验成果的比较分析，找出两种测验方法的相关性，探讨用走航式ADP代替转子流速仪法测验的优缺点及解决实际应用中的疑难问题。

转子式流速仪法是根据断面形状及流速沿河宽的分布特性，合理用13条垂线代表整个断面，通过施测流速、水深进而获得断面流量。走航式ADP测验方法是将ADP安装在冲锋舟特制的固定支架上，ADP利用3个探头发射的波束施测剖面流速及水深，利用软件自动合成流量。

2 测船性质与仪器设备

测船采用铝质3.0 m×1.5 m的冲锋舟，行驶便捷。仪器采用美国SonTek/YSI公司生产的1.5 MHZ的mini-ADP一套，包括换能器、处理器、电缆线、无线数据传输系统和计算机。该频率的ADP测量范围为：测速范围0～10 m/s、盲区0.4 m、最小单元尺寸0.25 m、最小测量深度0.90 m、最大测量深度25 m。频率与水深成反比，频率越高，测到的水深越小。

在现场测验前，先做了底沙运动检测，确定测验断面较为稳定，故不需外接GPS。根据现场测验情况，在冲锋舟船弦侧特制一个固定支架，用来安装固定ADP的换能器，换能器与船弦的距离为0.50 m。ADP处理器放在船内并通过数据线与换能器相连，整个安装体系牢固稳定，保证无铁磁质影响。换能器的入水深度，根据测船的航行速度、水流速度、水面波浪的大小、吃水深度等因素而综合考虑，使换能器在整个测验过程中始终不会露出水面。

3 走航式ADP流量原理

ADP流量由中部平均流量、岸边估算流量、上下盲区估算流量组合而成。每一微断面内中部平均流速由ADP直接测出，其值为所有有效单元所测流速之平均。x方向分量由下式算出（y方向分量类似）：

式中：uxj——单元j中所测的x方向流速分量。

则对应于ADP走航测量起点和终点之间断面的中部流量：

式中：fj——单元流量；Dc——单元长度；△t——单元时间；Vby——y方向流速分量；Vbx——x方向流速分量。

对于岸边非实测区域，可以利用经验方法估算流速和流量。岸边区域平均流速Va的计算公式为：

式中：Vm——起点微断面(或终点微断面)内的深度平均流速；α——岸边流速系数。

岸边流量QNB由下式估算：

式中：Aa——岸边区域面积。

上下盲区流量的估算采用幂函数流速剖面方法：明渠均匀流流速在垂向上的分布可以由以下公式来表示：

式中：u——离河底高度z处的流速；u*——河底摩阻流速；z0——河底粗糙高度；b——经验常数（取 b=1/6）。

则对应于ADP走航测量起点和终点之间断面的表层流量由下式算出：

类似地，底层流量由下式算出：

4 比测数据分析

4.1 水深和平均流速的定点测量比测

同时使用ADP与转子式流速仪测量同一条垂线的“水深”和“平均流速”。两个仪器同时安装，并同时采集数据。经过对采集的177个样本进行分析，发现87%的样本水深误差不超过±3%，另外13%的样本水深误差在±3%～±6%，考虑到用铅鱼测深方法的精度为0.1 m，这个差值可忽略不计。

经对177个样本比较，发现两种仪器所测平均流速实测的对比结果极其相近，两者流速比测绝对误差平均值为0.01 m/s，相对系统误差为-2.8%，其误差在ADP与转子式流速仪的测量精度范围内。

4.2 不同水位级垂线流速比测与分析

转子式流速仪法进行流量测验，垂线流速测点分布采用三点法（0.2，0.6，0.8）。垂线平均流速采用公式Vm=（V0.2+V0.6+V0.8）/3来计算。而用ADP测量的每条垂线多达10个单元以上，而且是将各单元的平均流速和经过理论补偿而得到的非实测区流速的平均值来代表整条垂线的平均流速。每个单元的水深为0.25 m，在较深的河道最多可实测40多个单元。流速仪法计算得到的垂线平均流速与ADP实测的垂线平均流速之间的误差，一般在5%以内。

用ADP所测断面平均流速与转子式流速仪测验计算得到的断面平均流速之间建立回归方程，其回归系数R2为0.959 7，是一个相关性较为稳定的关系。

4.3 不同水位级断面流量比测与分析

采用传统的船载转子式流速仪法和ADP进行比测，传统的方法是在固定断面实测13条测速垂线流速以及起点距，通过计算流速、面积来求得流量。ADP采用走航式在同一断面施测流量，水边距离用电子测距仪测量，测量精度为0.5 m。岸边系数α选用0.70，用RiverSurveyor4.31测流软件操作ADP并计算流量。洛古河水文站部分流量测验比测数据分析，见表1。

由表1可知：比测流量误差均小于±5%，其系统误差为-1.96%，随机不确定度为5.92%。两种测验方法所得水位～流量关系线图见图1。

表1 洛古河水文站流量比测数值分析表

图1 水位流量关系线对照图

从图1可知，两种测验方法所测流量相对误差较小，流量测点分布均匀，单一线关系良好，只是在高水位94.82 m处测点的系统偏差稍大。传统的测验只取固定断面的13条代表垂线的流速和水深来进行流量计算，而ADP则通过测量所经过的整个水体各个不同流层的流速以及水深来计算流量，并且是两个测回的数据平均值。因此，ADP所测的水体范围广、代表性强、精度更高。ADP与流速仪二者之间存在着很好的相关性，ADP代替流速仪法进行流量测验可以保证资料的延续性。

4.4 低水位流量测验的分析

2007年8月19日洛古河站水位为91.66 m，为畅流期低水位。洛古河站断面河槽呈W形，断面中间部分测得最小水深为0.93 m，此处ADP出现底跟踪失效，无法测到垂线流速。究其原因水深已接近ADP所能适用的最小水深0.90 m，加之浅滩边缘水流较急，测船体积小很难使船速小于流速，导致底跟踪失效。对于出现特低水的情况，可以购置频率更高的ADP，使最小测量深度范围变大，来满足测验需要。

5 走航式ADP相关系数

5.1 岸边流速系数变化与选用

因为每次测验的岸边起始点都设在ADP最大限度的测深范围内，此时距岸边一般在20 m以内，岸边区的形状基本上为水深均匀变浅的斜坡岸边。根据岸边系数和断面形状，结合转子式流速仪测验的经验，岸边系数采用0.7。

5.2 垂线流速分布与插补模型（幂指数或常数）

垂线流速表层和底层分布依据河底情况和以前测验流速分布情况，确定垂线流速分布插补采用公式（5），其中经验常数b取1/6。

6 结语

1）ADP与转子式流速仪的单次流量测验相对误差均小于5%，符合一类精度水文站的测验要求。而且两种测验资料的相关延续性较好。走航式ADP作为一种先进的测流仪器可以满足畅流期测验的各项需求。

2）走航式ADP流量测验一个测回的时间大约需要15～20 min，3个测验人员即可完成；而转子式流速仪法的流量测验需要2～3 h，测验人员需要6人以上方可完成。使用走航式ADP测验大大节省时间、人力、物力和财力。

3）走航式ADP可采用无线遥控方式施测，控制和记录实测数据的技术人员可以在室内完成，不必受天气等其它因素的影响，同时可以获得整个测验过程的所有数据。在测量的过程中，可以监视和分析整个测流过程的合理性，大大提高了测验的效率和精度。

4）对于整个黑龙江干流流域，其水深一般在3～20 m之间，断面含沙量不大于500 g/m3（一般认为ADP适用于含沙量不大于10 kg/m3的河流测验）。这种水流特性非常适宜使用ADP，根据不同的水深可以选择合适频率的ADP来满足测验要求，应用走航式ADP进行流量测验，省时省力。