ADP與傳統(tǒng)流速儀封凍期流量測驗比測精度分析

杜毅治，付 萍，周艷軍

（1.黑龍江省蘿北縣水務局，黑龍江蘿北154200；2.松遼水利委員會水文局黑龍江上游水文局，黑龍江 黑河154300）

為適應水文現(xiàn)代化要求,減輕封凍期流量測驗工作勞動強度，提高測驗精度,縮短測驗歷時,引進國外先進的水文測驗儀器并應用到工作中去。在2007年和2008年的冬季，松遼委黑龍江水文水資源勘測局采用聲學多普勒剖面流速儀(以下簡稱ADP)，在卡倫山水文站進行封凍期流量比測試驗。

1 測站概況

卡倫山水文站位于黑龍江干流黑河市下游25 km，俄羅斯結(jié)雅河與黑龍江匯合口下游18.9 km處。集水面積725 000 km2，至河口距離1 899 km，是國家重要水文站和中央報汛站。

卡倫山水文站冬季天氣寒冷，最低氣溫為-49.5℃。每年的11月上旬封江，下一年的4月下旬開江，每年的封冰期為150 d左右。該站基本斷面處最大冰厚可達2 m以上。河床為沙卵石組成，斷面沖淤變化不大，斷面含沙量較小。

卡倫山站由于受到地理位置、地形條件、上游來水量、河流流向以及氣溫等因素的影響，從建站以來卡倫山水文站基本斷面河段處為倒封江狀態(tài)。這樣使測驗斷面冰底過水斷面受到水流變化和溫度的影響，出現(xiàn)冰花、冰絮、冰阻塞等復雜情況。隨著冰厚的增大，以及冰底水流的沖刷使冰花、冰絮逐漸減少。進入3月份測驗斷面的冰花、冰絮就消融了，斷面冰厚比較平整，呈現(xiàn)兩岸厚中間薄的特點，但在各別處由于受到冰花、冰絮的影響，冰層較厚。

2 比測數(shù)據(jù)收集方法

卡倫山站自1987年建站以來一直使用轉(zhuǎn)子式流速儀法進行冰期流量測驗。根據(jù)卡倫山斷面寬度和形狀及斷面冰期特性合理的布設23條定點垂線，垂線間距離不超過40 m，通過流速面積加權(quán)得到流量。比測試驗時，工作人員分成兩組，一組進行轉(zhuǎn)子式流速儀測驗，另一組進行聲學多普勒流速剖面儀測驗。兩組同時進行，這樣可以保證在同一水位級下進行測驗，降減水位漲落引起的誤差。

ADP與機械式流速儀涉水測量的基本原理一樣,在測流斷面上布設多條垂線在每條垂線處測量水深并測量多點的流速從而得到垂線平均流速。只是在測深和測速的方法不同。

2.1 測深方法

轉(zhuǎn)子式流速儀采用15 kg的鉛魚利用懸索懸吊方式測深，水深計數(shù)器讀取數(shù)據(jù)。ADP采用3個聲波波速進行水深測量，在測量歷時為120 s的過程中，實測的水深數(shù)據(jù)是120次的均值。在測量過程中儀器處于相對靜止的情況下，水深數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

2.2 測速方法

轉(zhuǎn)子式流速儀是應用1～3點法的測點流速的算術(shù)平均值代表整體垂線的垂線平均流速。

ADP測量垂線流速是以每0.25 m為一個流層單元，各單元的平均流速和經(jīng)過理論補償?shù)玫降姆菍崪y區(qū)流速的平均來代表整條垂線的平均流速。在測量垂線流速時，Stationary Measurement軟件根據(jù)聲學信號、冰下水流特性，各流層的流速以及探頭到冰底或冰花底邊的距離，過流速點中心繪一條比較平滑的流速曲線。軟件設計充份考慮到冰期冰底下垂線流速部分特性和冰花、花絮對水流的影響。

3 使用的儀器設備情況和參數(shù)設置

3.1 儀器設備情況

本次卡倫山站使用頻率為1.5 MHz的Mini-ADP將它定位在流速儀使用的冰孔垂線上，測量該垂線剖面各單元的流速和水深，再利用Microsoft Excel 2003開發(fā)的封凍期計算實測流量成果軟件進行計算和內(nèi)業(yè)整理。

3.2 ADP儀器參數(shù)設置

Mini-ADP的儀器參數(shù)如表1，用戶參數(shù)設置見表2。

表1 Mini-ADP的儀器參數(shù)表

表2 用戶參數(shù)設置表

聲學多普勒流速剖面儀內(nèi)部裝羅盤系統(tǒng)，初次到卡倫山水文站進行流量測驗時，由于卡倫山水文站所處地理位置和磁場變化的影響，需對聲學多普勒流速儀進行羅盤磁場校正。并且每次進行流量測驗時，應對聲學多普勒流速剖面儀所測流斷面方向進行標定。

4 比測分析

4.1 數(shù)據(jù)樣本

這次冰期流量比測實驗數(shù)據(jù)樣本采集只在卡倫山水文站進行，共計9次200條垂線。比測采用Ls1206B型號的機械旋漿式流速儀,聲學多普勒剖面儀采用美國SonTek/YSI公司生產(chǎn)的1.5 MHz mini-ADP。

由于卡倫山站冬季來水量比較穩(wěn)定，水位變幅較小，比測實驗水位變幅在88.00～88.70 m之間。實測最大水深4.98 m，最大有效水深4.09 m；實測最小深2.04 m，最小有效水深1.13 m。實測最大垂線流速0.80 m/s,最小垂線流速0.24 m/s。

4.2 水深比測誤差分析

對比測樣本進行誤差分析計算，誤差統(tǒng)計見表3，表4。

表3 水深比測誤差統(tǒng)計表

表4 水深比測精度統(tǒng)計表

從ADP與鉛魚測深誤差統(tǒng)計表中可以得到87%測點相對誤差在±3%之間。相對誤差在3%～±6%的比測點，主要受到流速儀法鉛魚測深自身的誤差影響，以及受到比測驗的河底凹凸不平的天然河道以及水面上下起浮的影響。

通過水深比測和誤差分析，滿足流量測驗規(guī)范和聲學多普勒流量測驗規(guī)范的要求。從比測水深數(shù)據(jù)可以看出ADP測深精度較高。

4.3 流速比測誤差分析

對比測樣本誤差分析計算，進行誤差統(tǒng)計見表5，表6。

表5 流速比測精度統(tǒng)計表

表6 流速比測誤差統(tǒng)計表

流速比測相對系統(tǒng)誤差為-2.8%，ADP測得的垂線流速小于機械旋漿式流速儀測得的流速。這是由于ADP內(nèi)部安裝有羅盤，ADP測得的垂線平均流速是折算到垂直于測流斷面線的各單元矢量流速分量的平均值。ADP的流速和流向是垂直于斷面的；流速儀流向是平行于水流的流向，但不一定垂直于斷面。因此，沒有經(jīng)過流向偏角改正的流速會大于或等于實際流速。卡倫山水文站斷面的下游比較平直，從實測的數(shù)據(jù)分析，其流向偏角不超過10°；按現(xiàn)行的測驗規(guī)范不需要改正。所以有些垂線流速儀實測的流速大于ADP流速。

流速比測樣本中有75%的垂線平均流速相對誤差小于10%。25%的比測樣本受到冰底冰花、冰絮影響，以及冰層厚度分布不均和河道斷面不平的影響，使冰下水的流層分布規(guī)律發(fā)生了復雜變化，導致垂線測點流速不能完全代表垂線平線流速。這樣就使流速儀測速與ADP測速產(chǎn)生了較大誤差。

4.4 流量比測誤差分析

流量比測誤差分析見表7。

表7 流量比測誤差分析表

前8次流量比測誤差均小于5%，滿足聲學多普勒流量測驗規(guī)范要求。4月10日的流量比測誤差略大于5%，主要是由于1至10號孔的ADP與流速儀的流速誤差引起的。逐日氣溫的回升以及水位的上漲，使冰底變的光滑和整個冰厚的浮起，導致冰底水層流速流向發(fā)生變化，流速流向不垂直于測驗斷面線。這樣就使流速儀的流速大于ADP的流速，流速儀的流量大于ADP的流量。

流量比測結(jié)果的相對系統(tǒng)誤差為-1.1%。說明ADP流量略小于機械旋漿式流速儀流量，它主要是受流速流向影響引起。將ADP流量與機械旋漿式流速儀流量進行相關(guān)分析,可以看出，兩者相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.998。這說明用ADP進行封凍期流量測驗性能穩(wěn)定，精度良好。

4.5 有效面積比測

有效面積比測誤差分析見表8。

表8 面積比測誤差分析表

4.6 封凍期流量改正系數(shù)K值變化分析

封凍期流量改正系數(shù)K值變化分析見表9。

表9 K值比測分析表

從表9中可以看出ADP所測流量改正系數(shù)K值能夠滿足封凍期流量變化的需要，滿足封凍比測規(guī)范要求。

5 結(jié)語

1）通過一個封凍期的流量比測試驗，由ADP與機械旋漿式流速儀施測的流量相比，其系統(tǒng)誤差為-1.1%，達到國家一類水文站的測量精要求。ADP能夠作為一種先進的測流儀器應到封凍期流量測驗中，滿足黑龍江卡倫山水文站封凍期的流量測驗要求。

2）ADP流量測驗使冬季測驗方式產(chǎn)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變。它采用無線遙控和通訊，所有的數(shù)據(jù)全部記錄和保存在計算機的軟件中，清晰而直觀。測驗結(jié)束，立即可以得到整個測驗過程的所有水文數(shù)據(jù)，并且監(jiān)視和分析整個測流的合理性，大大提高了測驗的工作效率。與機械旋漿式流速儀相比，測驗歷時減少了3/4的時間，大大減輕了勞動強度。

3）ADP在冰期流量測驗積累了一些成功經(jīng)驗。常規(guī)定點冰孔，將ADP探頭放到距冰孔冰層底10 cm處，測得流速和水深相對穩(wěn)定，與機械流速儀測流相對接近；有冰花的定點冰孔,應將ADP探頭放到冰花下10 cm處；對于有二層冰的冰孔，ADP探頭應放到二層冰下10 cm處。

4）卡倫山水文站封凍期應用聲學多普勒流速剖面儀流量比測實驗的成功，為未來的冰期流量測驗應用先進測流儀器提供了成功經(jīng)驗。使ADP不僅能在暢流期進行流量測驗,而且也開創(chuàng)了在黑龍江上冬季封凍期進行流量測驗的先例。為與卡倫山水文站具有相近水文特性的黑龍江干流中下游水文測站冬季封凍期流量測驗應用新的先進測驗儀器提供了方法和依據(jù)。同時也為北方高寒冷地區(qū)封凍期流量測驗提供了自動化程度較高的測流設備和成功經(jīng)驗。