多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應用

馬國榮

四川省成都水文水資源勘測局，四川成都 611130

為探討在走底河床應用多普勒剖面流速的方法，我們在都江堰（內江）水文站進行了一次多普勒剖面流速儀測流試驗。在當時水位的條件下，河寬約60m、最大水深約3.3m、最小水深約0.5m、斷面平均流速2.6m/s、最大垂線平均流速4.1m/s，屬于寬淺河道。現場使用多普勒剖面流速儀為多頻走航式ADCP-M9，該儀器可根據河道中測點深度和含沙量自動調節工作頻率，以減小測驗死區來提高測驗成果的可信度，多頻工作方式與是否能減少河床走底對測驗成果的影響沒有直接關系。根據實驗數據，河床存在明顯的走底現象。現結合現場測驗數據將ADCP 在走底河流的應用條件做一介紹。

1 為什么河流走底會對多普勒剖面流速的測流產生影響

河流走底對于傳統方法流量測驗（如機械式流速速儀測驗或浮標流量測驗）影響不大，但對于應用多普勒剖面流速儀的流量測驗確需要特別的注意和采取必要的技術措施。

一般來說，多普勒剖面流速是使用“底跟蹤”來測量船速的，“底跟蹤”是一種“使用ADCP 來測量船速和船體相對位置”的技術。多普勒剖面流速測驗從發射超聲脈沖到接收從河底反射的回波這二者之間的“多普勒頻移”，“多普勒頻移”與船速成正比。多普勒剖面流速儀用底跟蹤技術來計算船只通過河道斷面時的實際速度和相對位置。通過底跟蹤的技術，由ADCP 計算出相對于底跟蹤的速度和方向的水流速度，從而計算得到斷面的流量。

而河床的質地不同，底跟蹤的效果會有很大差別，一般來說，由泥沙、砂土、巖石和硬質泥土等構成的堅硬、穩定的河床，適合使用底跟蹤技術；疏松而不穩定的河床，或者沿著河床會移動的懸移質、軟質泥土或植被等較多的河床，使用底跟蹤會存在誤差。

2 使用多普勒剖面流速儀驗證河流是否走底的方法有三種

1）將多普勒剖面流速固定在河中可能有走底情況的垂線至少5min，用軟件記錄一個數據文件：船跡會顯示出從開始點向上游方向移動，顯示的“DMG”（直線距離）較大（表示有走底現象）。當船跡沒有明顯向上游方向移動時，顯示的“DMG”較小。

2）在河岸上設一個固定點，開始記錄數據。然后慢慢地橫跨斷面航行到對岸，抵達對岸后調頭，再慢慢地駛向原始的開始點。船跡會顯示出向上游方向移動的情況，顯示的“DMG”較大（表示有走底現象）。當顯示的船跡沒有明顯的向上游方向移動的情況，顯示的“DMG”也較小。（表示無走底現象）。

3）使用DGPS 即差分全球定位系統連接到ADCP，同時用“底跟蹤”和用“DGPS”進行測量并將結果進行比較。底跟蹤顯示的船跡與DGPS 顯示的船跡偏離，并有向上游移動的情況（以DGPS 為參考 ）（表示有走底現象）。底跟蹤顯示的船跡與DGPS 顯示的船跡相似（表示無走底現象）。

3 實測過程

都江堰（內江）水文站本身架有過河纜道，作為常規的測流手段。這次多普勒剖面流速儀的試驗就利用纜道設備作為測流過河的工具，拖曳ADCP 三體船橫跨河道完成一次流量的測驗。

由于現場流速較大，底部河床有產生走底現象，本次測流采用了RTK GPS（即實時動態差分法GPS 測量方法，在野外實時得到厘米級定位精度的測量）作航跡和船速的參考，以避免因為河床的走底，造成用底跟蹤作參考的測驗誤差。其最大的優點是在啟用了RTK GPS 作航跡和船速的參考這個功能的同時，不僅記錄了GPS 作參考的所有原始數據，同時仍然保留著用底跟蹤作參考的航跡和流速的所有原始數據，既同時保存著三種不同參考方式的數據GPS GGA（全球定位系統位置定位資料）數據、GPS VTG（全球定位系統方向及速度相關資料）數據、底跟蹤數據，并可以在后處理時進行分析和比較。

按照我國的多普勒測流規范，在測量前要做羅盤校正，通過羅盤校正，使其內置羅盤能夠得到補償，而指向磁場正北方向。當RTK GPS 用于計算河流流量時，重要的一點便是ADCP內置羅盤應以大地的正北方向作參考。操作時將當地的磁偏角輸入到RiverSurveyor Live 軟件中，就可以使羅盤的磁極北轉換為大地北。這樣做的目的是為了解決和補償任何磁偏角的設定偏差或者較差的羅盤校正導致的航向誤差和造成的流量計算偏差。

根據現場需要，多普勒剖面流速儀配備了通訊距離為1000 米的無線傳輸數據的方式。無線電臺的終端安放在岸上，將其采集的數據傳輸到計算機中，由計算機控制測量的開始和結束，整個測量過程所有的數據保存在ADCP 的內置存儲器中，并在儀器內部實時進行流量計算，計算機只是起了顯示和監測作用。在都江驗的整個測驗時間自12：13時開始，12：45時結束，共 32 分鐘，施測了4 個測回、4 個測次。每個測次平均3 分鐘左右。按照水文規范的要求，將4 個測次的流量值，進行平均，然后得到本次流量的最終流量數據。表1 是從軟件中給出的流量測量成果匯總表截圖。

表1 2009 年7 月30 日M9 都江堰水文斷面流量測量成果匯總表

從表中，可以得到的數據為：平均流量值為 386 立方米/秒，標準偏差3.88，誤差為1.0%；實測流量部分的百分比為76.7%。上述實測的成果，是采用低頻垂直波束測量水深，并采用RTK-GPS 作為流速和航跡的測量參考。4 次測量中，其中第4 測次偏離平均值最大，它的實測流量為392 立方米/秒；與平均值386 立方米/秒相比，最大的測量誤差為 1.55%。4次測量的平均誤差僅為1.0 %，多普勒剖面流速儀的重復性較好。

在整個測流過程中，多普勒剖面流速儀檢測到了明顯的河床走底現象。其不僅可以顯示采用底跟蹤做參考的測量航跡，同時也能顯示采用 DGPS 做參考的測量航跡。二種不同參考測量得到的航跡在某個區域是不同的，而且底跟蹤參考的航跡是偏向于 DGPS 航跡的上游。這是典型的河床走底現象。同時，從不同測次的航跡比較，可以看到在不同時刻，河床走底的位置和走底的程度都是不一樣的。這是符合水流和流態永遠不會重復的自然規律。

從軟件的后處理分析，如果采用底跟蹤做參考的話，測得的流量會減少約2～5 %不等。因此，對于都江堰（內江）水文站測流斷面而言，這種走底現象會產生一定的負向偏移，在此條件下，若采用多普勒剖面儀測流時，是需要采用DGPS 或RTK-GPS 來提供精確的流量值。

通常，僅檢查數據的結果是不容易看出走底現象的，其剖面儀集成了內置GPS，因此，有可能在同一個軟件中，顯示二種不同參考時的航行軌跡，給使用者有一個明確的提示，河床是否存在著走底現象，從而保證測驗的精度。

4 結論

實測數據表明：對明顯存在著河流走底現象河床的流量測驗，使用多普勒剖面流速儀的底跟蹤功能，會使測量結果偏小；配備了DGPS 或 RTK GPS 后走航式ADCP 后，可以精確測量真實船速，自動修正原有誤差，測量結果較精確。為解決河床走底流量偏小問題提供了一個有效地解決方法。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局 中國國家標準化管理委員會《聲學多普勒流速剖面儀》GB/T 24558-2009[Z].

[2]中華人民共和國水利部《聲學多普勒流量測驗規范》SL337-2006[Z].

[3]朱進，蔣建平，石照泉，劉漢偉.GPS安裝對ADCP測驗精度的影響分析[J].現代測繪，2010(6)：28-29.