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(cè)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(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約2 000 m，基本水尺斷面河槽呈W形，平水時(shí)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(yàn)及資料收集

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

2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使用ADP和機(jī)械式轉(zhuǎn)子流速儀同時(shí)對(duì)斷面進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，通過對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的比較分析，找出兩種測(cè)驗(yàn)方法的相關(guān)性，探討用走航式ADP代替轉(zhuǎn)子流速儀法測(cè)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)及解決實(shí)際應(yīng)用中的疑難問題。

3）資料收集方法。機(jī)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(gè)斷面，通過施測(cè)流速、水深進(jìn)而獲得斷面流量。走航式ADP測(cè)驗(yàn)方法是將ADP安裝在沖鋒舟特制的固定支架上，利用ADP三個(gè)探頭發(fā)射的波束施測(cè)剖面流速及水深，軟件自動(dòng)合成流量。

3 測(cè)船性質(zhì)與儀器設(shè)備

測(cè)船采用鋁質(zhì)，長(zhǎng)3.0 m×寬1.5 m的沖鋒舟，YAMAHA30馬力的機(jī)器，吃水深度為0.30 m，行駛便捷。儀器采用美國(guó)SonTek/YSI公司生產(chǎn)的1.5MHZ的mini-ADP一套，該頻率的ADP測(cè)量范圍為：測(cè)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(cè)量深度0.90 m、最大測(cè)量深度25 m。

4 系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)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(chǎng)測(cè)驗(yàn)之前運(yùn)行自檢程序，對(duì)儀器進(jìn)行內(nèi)部診斷，測(cè)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(diǎn)測(cè)量及比測(cè)。同時(shí)使用ADP與旋槳式流速儀測(cè)量同一條垂線的“水深”和“平均流速”。兩個(gè)儀器同時(shí)安裝，并同時(shí)采集數(shù)據(jù)。這樣做是為了使水深和平均流速達(dá)到更直接的對(duì)比。經(jīng)過對(duì)采集的177個(gè)樣本進(jìn)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(cè)深方法的精度為0.10 m，這個(gè)差值可忽略不計(jì)。

經(jīng)對(duì)177個(gè)樣本比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測(cè)平均流速實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果極其相近，兩者流速比測(cè)絕對(duì)誤差平均值為0.01m/s，相對(duì)系統(tǒng)誤差為-2.8%，其誤差在ADP與機(jī)械流速儀的測(cè)量精度范圍內(nèi)，兩種不同方法的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的相對(duì)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(cè)與精度分析。流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，垂線流速測(cè)點(diǎn)分布采用三點(diǎn)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(lái)計(jì)算。而用ADP測(cè)量的每條垂線多達(dá)10個(gè)單元以上，而且是將各單元的平均流速和經(jīng)過理論補(bǔ)償而得到的非實(shí)測(cè)區(qū)流速的平均來(lái)代表整條垂線的平均流速。每個(gè)單元的水深為0.25 m，在較深的河道最多可實(shí)測(cè)40多個(gè)單元。流速儀計(jì)算得到的垂線平均流速與ADP實(shí)測(cè)的垂線平均流速之間的誤差，一般在5%以下。

用ADP所測(cè)斷面平均流速與用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)驗(yàn)計(jì)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(dá)到0.959 7，是一個(gè)非常好的關(guān)系。其相關(guān)性見圖1。

3）斷面流量比測(cè)方法與精度分析。采用傳統(tǒng)的船載機(jī)械式流速儀法和ADP進(jìn)行比測(cè)。傳統(tǒng)的方法是在固定斷面施測(cè)13條測(cè)速垂線流速以及起點(diǎn)距，通過計(jì)算流速、面積來(lái)求得流量。ADP采用走航式在同一斷面施測(cè)流量，水邊距離用尼康LASER-800電子測(cè)距儀測(cè)量，測(cè)量精度為2 m。岸邊系數(shù)α選用0.70，用RiverSurveyor4.31測(cè)流軟件操作ADP并計(jì)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(cè)驗(yàn)成果（見表2）進(jìn)行比較分析。

表2 洛古河站斷面流量比測(cè)精度分析

由表2可以看出：兩站的流量比測(cè)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(duì)比實(shí)驗(yàn)流量的分析，其系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度分別為：-1.96%和5.92%。兩種測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)方法所測(cè)流量相對(duì)誤差不大，點(diǎn)子分布均勻，單一線關(guān)系良好，只是在高水位94.82 m處點(diǎn)子的系統(tǒng)偏差稍大。傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)只取固定斷面的13條代表垂線的流速和水深來(lái)進(jìn)行流量計(jì)算，而ADP則通過測(cè)量所經(jīng)過的整個(gè)水體各個(gè)不同流層的流速以及水深來(lái)計(jì)算流量，并且是兩個(gè)測(cè)回的數(shù)據(jù)平均值。因此，ADP所測(cè)的水體范圍廣、代表性強(qiáng)、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(cè)驗(yàn)、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?yàn)槊看螠y(cè)驗(yàn)的岸邊起始點(diǎn)都設(shè)在ADP最大限度的測(cè)深范圍內(nèi)，此時(shí)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(duì)照表見表3，結(jié)合常規(guī)流速儀測(cè)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)的流量測(cè)量?jī)x器，它的卓越性能已在水文系統(tǒng)得到了廣泛的認(rèn)可。通過大量比測(cè)分析試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

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

2）走航式ADP流量測(cè)驗(yàn)一個(gè)測(cè)回的時(shí)間大約需要15～30 min，3個(gè)測(cè)驗(yàn)人員即可完成，而傳統(tǒng)方式的流量測(cè)驗(yàn)需要2～3 h，測(cè)驗(yàn)人員需要6人以上方可完成。傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)需使用220馬力的大船，而ADP只需使用30馬力測(cè)船。因此使用ADP測(cè)驗(yàn)大大節(jié)省時(shí)間、人力、物力和財(cái)力。

3）ADP可采用無(wú)線遙控方式施測(cè)，控制和記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的技術(shù)人員可以在室內(nèi)工作，不必?fù)?dān)心天氣等其它因素的影響。所有的測(cè)量數(shù)據(jù)全部記錄并保存在計(jì)算機(jī)中，清晰而直觀。測(cè)驗(yàn)一結(jié)束，立即可以獲得整個(gè)測(cè)驗(yàn)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(cè)量的過程中，也可以監(jiān)視和分析整個(gè)測(cè)流過程的合理性，可隨時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)的情況，大大提高了測(cè)驗(yàn)的效率和精度。

4）對(duì)于整個(gè)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(lái)滿足測(cè)驗(yàn)要求。