走航式ADCP在河曲水文站应用分析

郑 凯，贺俊华

（黄委中游水文水资源局，山西晋中030600）

1 测站基本情况

河曲水文站位于山西省忻州市河曲县文笔镇铁果门村，为国家重要水文站，龙口水库出库站，天桥水库入库站，黄河水情报汛站，二类精度流量、泥沙站，全年驻测站。建站以来最大流量为5120m3/s，相应水位为849.92m，调查最高水位为852.44m，相应流量为8740m3/s。洪水主要来源于黄河干流，受上游龙口水库调节，涨落变化急剧，含沙量较小。测站日常测验以流速仪多线多点法为主。

2 ADCP简介

声学多普勒流速剖面仪简称ADCP（Acoustic DopplerCurrentProfilers），是20世纪80年代初发展起来的一种测流设备。ADCP能直接测出断面的流速剖面，具有不扰动流场、测速范围大、自动化程度高等特点，早期被用于海洋水文观测，目前已应用在河道流速和流量测验等。该站比测试验采用了美国TRDI生产的相控阵ADCP+GPS底跟踪。

ADCP是利用多普勒效应为基本原理进行流速测量或流量测验的。仪器主机控制换能器向水下发射声波，声波被水体中的泥沙颗粒、浮游生物等散射体散射，返回的部分能量由换能器接收，经过电路处理声信号变成电信号，再经运算处理多普勒频移而测算出流速。

河道流量测验使用的ADCP一般设计、安装有4个（或3个）以上声换能器并与ADCP轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器并对应于1个声束方向。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散射回来的声波。

假定水体中颗粒物与水体流速相同，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远离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差，如下式：

式中：V——是颗粒物沿声方向的移动速度，m/s；Fd，F0——分别是声学多普勒频移、发射频率，Hz；C——是声波在水中传播速度，m/s。

ADCP的每个换能器轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束方向的速度分量。至少3个换能器轴线即可组成独立的空间声束坐标系。

ADCP自身定义有三维直角坐标系X-Y-Z。其中Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一声束坐标的流速，然后经过坐标转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速，再利用电子罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据改正，将X-Y-Z坐标下的流速转换为大地坐标系下的三维流速。

3 试验目的

河曲水文站处于龙口水库下游，区间仅有一条支流汇入，除调水调沙期间外，水流平稳，无漂浮物影响，断面含沙量较小，主槽为卵石河床，断面基本稳定，这些都为ADCP测验提供了有利的条件。

通过比测试验，探究ADCP在该站的试用条件，达到提高工作效率，减轻劳动强度，确保测验人员安全的目的。

4 试验情况

该站共进行了34次比测试验，取得比测数据32组，第17次因含沙量大（40kg/m3），无法取得数据，第18次因仪器故障无法取得数据，详见表1。

表1 比测数据成果表

5 比测试验资料分析与成果评价

ADCP比测试验误差统计分析，按照GB 50179-2015《河流流量测验规范》规定进行：

1）比测宜在水流相对平稳时进行，并应在高中低水不同水位（或流量）级下均匀分布测次。

2）比测有效次数不应少于30次。

3）比测随机不确定度不应超过6%，比测条件较差的不应超过7%。系统误差不应超过±1%，条件较差的不应超过±2%。

随机不确定度按照GB50179-2015取置信水平95%进行估算，因测量系列样本容量大于30，故取2倍相对标准差为随机不确定度。

从表1可以看出，水位变幅区间为［-0.07m，0.08m］，水情基本平稳，其中涨水10次，平水9次，落水13次，涨落水及平水均分布有测次，分布基本均匀；相应水位变化区间为［844.06m，849.06 m］，在这个区间的各级水位均分布有测次，且分布均匀，具体测次分布见表2。

表2 测次分布情况表 m

通过误差计算，系统误差为0.009%，置信水平95%的随机不确定度为6.4%，符合规范要求。

6 结论与建议

该站测验设施以吊箱为主，由吊箱牵引ADCP，可使ADCP在河段内匀速前进，且能始终保持船速小于流速；吊箱配套有起点距计数装置，只要读出左右水边起点距及ADCP下放位置的起点距，即可准确计算出左右岸距水边距离，避免了目测水边距的盲目性与随机性，提高了测验精度。另外，ADCP只需在测流开始和终了时位于断面线上，运行过程中无需控制其位置，比传统的测流方式减轻了劳动强度，若对吊箱加以改进，可实现吊箱自动化测流。站上平常的流速仪测验需1个多小时，ADCP测流的平均时间为35min，测流时间缩短一半，提高了工作效率，因测流时间的缩短，所测时段平均流量更能代表期间某一时刻的瞬时流量，使得流量与相应水位更具代表性，更符合测验河段的实际情况。