走航式ADP應(yīng)用于黑龍江洛古河站比測分析

吳高莊，周艷軍，張 羽，王化鑫

（松遼委水文局黑龍江上游局，黑龍江 黑河 164300）

1 測站基本概況

洛古河水文站是黑龍江干流上游入口控制站，測驗河段順直長約2 000 m，基本水尺斷面河槽呈W形，平水時河寬450 m、最大水深約3.0 m，汛期斷面最大含沙量不超過500 g/m3，河床為卵石組成，斷面沖淤變化小，水位流量關(guān)系為單一曲線，水面比降為0.02%～0.04%。

2 試驗及資料收集

1）試驗?zāi)康摹Ｓ米吆绞紸DP取代轉(zhuǎn)子流速儀進行流量測驗。黑龍江屬于國際河流，測站沒有纜道設(shè)施，汛期測驗方法采用船載機械式轉(zhuǎn)子流速儀法，在固定斷面施測13條測速垂線，利用流速面積法求得流量。受外在因素的影響，測船定位存在誤差，而且測驗歷時長，作業(yè)強度大，這種流量測驗方式有待改進。

2）實驗內(nèi)容。使用ADP和機械式轉(zhuǎn)子流速儀同時對斷面進行流量測驗，通過對測驗成果的比較分析，找出兩種測驗方法的相關(guān)性，探討用走航式ADP代替轉(zhuǎn)子流速儀法測驗的優(yōu)缺點及解決實際應(yīng)用中的疑難問題。

3）資料收集方法。機械式轉(zhuǎn)子流速儀法是根據(jù)斷面形狀及流速沿河寬的分布特性，合理用13條垂線代替整個斷面，通過施測流速、水深進而獲得斷面流量。走航式ADP測驗方法是將ADP安裝在沖鋒舟特制的固定支架上，利用ADP三個探頭發(fā)射的波束施測剖面流速及水深，軟件自動合成流量。

3 測船性質(zhì)與儀器設(shè)備

測船采用鋁質(zhì)，長3.0 m×寬1.5 m的沖鋒舟，YAMAHA30馬力的機器，吃水深度為0.30 m，行駛便捷。儀器采用美國SonTek/YSI公司生產(chǎn)的1.5MHZ的mini-ADP一套，該頻率的ADP測量范圍為：測速范圍0～10 m/s、盲區(qū)0.4 m、最小單元尺寸0.25 m、最小測量深度0.90 m、最大測量深度25 m。

4 系統(tǒng)流量測驗軟件參數(shù)的選用依據(jù)與設(shè)置

系統(tǒng)軟件采用RiverSurveyor4.31操作軟件，系統(tǒng)參數(shù)的選用及依據(jù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)選用及依據(jù)

采用SonUtils3.02儀器診斷軟件，現(xiàn)場測驗之前運行自檢程序，對儀器進行內(nèi)部診斷，測試電路和傳感器，并查看其內(nèi)部設(shè)置。

5 誤差分析

1）水深和平均流速的定點測量及比測。同時使用ADP與旋槳式流速儀測量同一條垂線的“水深”和“平均流速”。兩個儀器同時安裝，并同時采集數(shù)據(jù)。這樣做是為了使水深和平均流速達到更直接的對比。經(jīng)過對采集的177個樣本進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)87%的樣本水深誤差不超過±3%，另外13%的樣本水深誤差在±3%～±6%，考慮到用鉛魚測深方法的精度為0.10 m，這個差值可忽略不計。

經(jīng)對177個樣本比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測平均流速實測的對比結(jié)果極其相近，兩者流速比測絕對誤差平均值為0.01m/s，相對系統(tǒng)誤差為-2.8%，其誤差在ADP與機械流速儀的測量精度范圍內(nèi)，兩種不同方法的實測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的相對誤差在所難免，這樣的誤差范圍是可以接受的。

2）垂線流速比測與精度分析。流速儀法進行流量測驗，垂線流速測點分布采用三點法（0.2，0.6，0.8）。垂線平均流速采用公式 Vm=（V0.2+V0.6+V0.8）/3來計算。而用ADP測量的每條垂線多達10個單元以上，而且是將各單元的平均流速和經(jīng)過理論補償而得到的非實測區(qū)流速的平均來代表整條垂線的平均流速。每個單元的水深為0.25 m，在較深的河道最多可實測40多個單元。流速儀計算得到的垂線平均流速與ADP實測的垂線平均流速之間的誤差，一般在5%以下。

用ADP所測斷面平均流速與用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測驗計算得到的斷面平均流速之間建立的回歸方程，其回歸系數(shù)R2達到0.959 7，是一個非常好的關(guān)系。其相關(guān)性見圖1。

3）斷面流量比測方法與精度分析。采用傳統(tǒng)的船載機械式流速儀法和ADP進行比測。傳統(tǒng)的方法是在固定斷面施測13條測速垂線流速以及起點距，通過計算流速、面積來求得流量。ADP采用走航式在同一斷面施測流量，水邊距離用尼康LASER-800電子測距儀測量，測量精度為2 m。岸邊系數(shù)α選用0.70，用RiverSurveyor4.31測流軟件操作ADP并計算流量。ADP流量由中部平均流量、岸邊估算流量、上下盲區(qū)估算流量組合而成。

下面取用洛古河站部分流量測驗成果（見表2）進行比較分析。

表2 洛古河站斷面流量比測精度分析

由表2可以看出：兩站的流量比測誤差均小于±5%，符合一類站精度要求。其中，洛古河站的14次對比實驗流量的分析，其系統(tǒng)誤差和隨機不確定度分別為：-1.96%和5.92%。兩種測驗方法所得水位～流量關(guān)系線，見圖2。

從圖2可以看出：兩種測驗方法所測流量相對誤差不大，點子分布均勻，單一線關(guān)系良好，只是在高水位94.82 m處點子的系統(tǒng)偏差稍大。傳統(tǒng)的測驗只取固定斷面的13條代表垂線的流速和水深來進行流量計算，而ADP則通過測量所經(jīng)過的整個水體各個不同流層的流速以及水深來計算流量，并且是兩個測回的數(shù)據(jù)平均值。因此，ADP所測的水體范圍廣、代表性強、精度更高。ADP與流速儀二者之間存在著很好的相關(guān)性，從而為ADP代替流速儀測驗、保證資料的延續(xù)性掃清了障礙。

4）岸邊流速系數(shù)變化與選用。因為每次測驗的岸邊起始點都設(shè)在ADP最大限度的測深范圍內(nèi)，此時距岸邊基本在20 m以內(nèi)，岸邊區(qū)的形狀基本上為水深均勻變淺的斜坡岸邊。根據(jù)岸邊系數(shù)和斷面形狀對照表見表3，結(jié)合常規(guī)流速儀測驗的經(jīng)驗，岸邊系數(shù)采用0.7。

表3 岸邊流速系數(shù)α值

6 結(jié)論

ADP作為一種先進的流量測量儀器，它的卓越性能已在水文系統(tǒng)得到了廣泛的認可。通過大量比測分析試驗，得出如下結(jié)論：

1）ADP與轉(zhuǎn)子流速儀的單次流量測驗相對誤差均小于5%，符合一類精度水文站的測驗要求。而且兩種測驗資料的相關(guān)延續(xù)性較好。走航式ADP作為一種先進的測流儀器可以滿足暢流期測驗的各種需求。

2）走航式ADP流量測驗一個測回的時間大約需要15～30 min，3個測驗人員即可完成，而傳統(tǒng)方式的流量測驗需要2～3 h，測驗人員需要6人以上方可完成。傳統(tǒng)測驗需使用220馬力的大船，而ADP只需使用30馬力測船。因此使用ADP測驗大大節(jié)省時間、人力、物力和財力。

3）ADP可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實測數(shù)據(jù)的技術(shù)人員可以在室內(nèi)工作，不必擔(dān)心天氣等其它因素的影響。所有的測量數(shù)據(jù)全部記錄并保存在計算機中，清晰而直觀。測驗一結(jié)束，立即可以獲得整個測驗過程的所有數(shù)據(jù)：流量、斷面面積、斷面平均流速和水道大斷面等。在測量的過程中，也可以監(jiān)視和分析整個測流過程的合理性，可隨時觀察現(xiàn)場測驗的情況，大大提高了測驗的效率和精度。

4）對于整個黑龍江流域，從額爾古納河到黑龍江以及烏蘇里江，其水深一般在3～20 m，斷面含沙量不大于500 g/m3，這種水流特性非常適宜使用ADP，根據(jù)不同的水深可以選擇合適頻率的ADP來滿足測驗要求。