陳福春，唐晶晶，康修洪，鄧凌毅

（江西省水文局，江西 南昌 330002）

1 概況

傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法主要有流速儀法、浮標(biāo)法等，測(cè)驗(yàn)手段有人工船測(cè)、纜道測(cè)量等，這些測(cè)驗(yàn)方法原理簡(jiǎn)單明了、實(shí)用性強(qiáng)，但費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低。為適應(yīng)新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和防汛工作的需要，及時(shí)向各級(jí)防汛抗旱部門(mén)提供準(zhǔn)確的水文信息，特別是在大洪水時(shí)，要快速采集河流的洪水流量數(shù)據(jù)，聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）測(cè)流有其不可比擬的優(yōu)越性。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：現(xiàn)代化水平高，符合現(xiàn)代化水文的要求；適時(shí)性強(qiáng)，可及時(shí)向防汛抗旱指揮部門(mén)提供實(shí)時(shí)水文信息；測(cè)流歷時(shí)短，安裝使用方便，測(cè)量時(shí)不擾動(dòng)流場(chǎng)，測(cè)速范圍廣，測(cè)驗(yàn)精度高；大大節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，同時(shí)由于縮短了測(cè)量時(shí)間，有利于安全生產(chǎn)。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）應(yīng)用于屬于內(nèi)陸河流的贛江，其適用性如何，不同測(cè)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置和各種測(cè)驗(yàn)條件對(duì)結(jié)果的影響程度，與傳統(tǒng)的流速儀法實(shí)測(cè)流量比較數(shù)據(jù)差別的大小，所得成果是否符合規(guī)范要求，該儀器是否能在江西省推廣應(yīng)用，按照《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范（SL337-2006）》要求，以所述種種都需要通過(guò)試驗(yàn)研究確定。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

吉安水文站位于江西省吉安市吉州區(qū)，是長(zhǎng)江流域贛江中游主要控制站，屬?lài)?guó)家重要水文站，集水面積56223 km2，距河口240 km。該站設(shè)立于1931年，目前主要測(cè)報(bào)項(xiàng)目有：水位、降水量、水質(zhì)、流量、懸移質(zhì)含沙量、泥沙顆粒分析和水文情報(bào)預(yù)報(bào)，擔(dān)負(fù)向國(guó)家防汛抗旱總指揮部、長(zhǎng)江防汛抗旱總指揮部、江西省防汛抗旱總指揮部和吉安、宜春、九江市防汛抗旱指揮部辦公室等12個(gè)單位的雨水情報(bào)汛及洪水預(yù)報(bào)任務(wù)，向沿江兩岸提供水文情報(bào)預(yù)報(bào)服務(wù)。

吉安水文站測(cè)驗(yàn)河道大致順直，河床由中沙及卵石組成，斷面寬在中低水位時(shí)約700 m，高水位時(shí)約800 m。測(cè)驗(yàn)斷面主槽為“W”型，主流位于左側(cè)，水位在43 m左右斷面開(kāi)始出現(xiàn)沙洲。由于河道取沙，斷面上、下游形成大量沙石堆，對(duì)低水水流有影響。上游113 km處1993年建成萬(wàn)安水利樞紐，由于水庫(kù)泥沙沉積，多年平均懸移質(zhì)輸沙量由建庫(kù)前的748×104t減少至建庫(kù)后的318×104t。

吉安水文站實(shí)測(cè)歷史最高水位54.05 m（黃海高程），實(shí)測(cè)歷史最低水位42.10 m（黃海高程），實(shí)測(cè)最大流量 19600 m3/s，實(shí)測(cè)最大流速 3.59 m/s，實(shí)測(cè)最大含沙量 1.81 kg/m3，實(shí)測(cè)最大年降水量 2183.1 mm。吉安水文站水位級(jí)劃分為：44.5 m（吳淞基面，下同）以下為低水位，44.5～48.0 m 為中水位，48.0 m 以上為高水位。

3 研究方法

ADCP與流速儀法測(cè)流在吉安水文站比測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容主要有：垂線流速測(cè)定對(duì)比、垂線水深測(cè)定對(duì)比、流量測(cè)定對(duì)比。

ADCP法與流速儀法流量比測(cè)按高中低水位級(jí)均勻布設(shè)測(cè)次。進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，流速儀測(cè)流開(kāi)始用ADCP測(cè)一測(cè)回（1個(gè)往返），測(cè)量結(jié)束后再用ADCP測(cè)一測(cè)回。ADCP測(cè)量時(shí)，測(cè)船航速控制在小于斷面最大流速內(nèi)，位置盡量控制在流速儀測(cè)流斷面。流速儀測(cè)量在測(cè)流斷面固定垂線上進(jìn)行。比測(cè)垂線水深及垂線平均流速時(shí)，在流速儀法測(cè)定固定垂線同時(shí)在ADCP操作軟件上讀取垂線水深及垂線平均流速。

3.1 ADCP 流量計(jì)算

3.1.1 實(shí)測(cè)區(qū)域流量計(jì)算

ADCP基于如下的公式計(jì)算實(shí)測(cè)區(qū)流量：

式中：QM—斷面流量，m3/s；

s—河流某斷面部分面積，m2；u—河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；

ξ—作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；

d s—河流斷面上微單元面積，m2。

3.1.2 非實(shí)測(cè)區(qū)域流量估算

（1）岸邊區(qū)域流量估算

式中：QNB—岸邊區(qū)域流量，m3/s；

Vm—起點(diǎn)微斷面（或終點(diǎn)微斷面）內(nèi)的平均流速，m/s；

Aa—岸邊區(qū)域面積，m2；

α—岸邊流速系數(shù)，按流速儀法取值，吉安站左右岸均為 0.85。

（2）表層和底層流量推算

表層和底層平均流速借助于指數(shù)流速剖面來(lái)推算：

式中：u—離河底高度z處的流速，m/s；

u＊—河底摩阻流速，m/s；

z0—河底粗糙高度；

b—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取1/6。

3.2 流速比測(cè)

ADCP法和流速儀法的流速比測(cè)，收集比測(cè)資料14次，每次分別記錄了13根垂線平均流速，共計(jì)182根垂線。在14次182根垂線流速比測(cè)中（有3根垂線比測(cè)經(jīng)分析屬明顯不合理，故作為特殊點(diǎn)，不參加誤差評(píng)定），高水測(cè)次4次，測(cè)速垂線52根，中水測(cè)次7次，測(cè)速垂線91根，低水測(cè)次3次，測(cè)速垂線36根。比測(cè)的水位變幅 43.52～50.12 m，ADCP 法測(cè)定流速變幅0.11～1.84 m/s，流速儀法測(cè)定流速變幅 0.09～1.86 m/s。

3.3 水深比測(cè)

ADCP法和水文絞車(chē)的水深比測(cè)，收集比測(cè)資料14次（同流速比測(cè)測(cè)次），每次分別記錄了13根垂線水深，共計(jì)182根垂線。在14次182根垂線水深比測(cè)的資料中，高水測(cè)次4次，垂線52根，中水測(cè)次7次，垂線91根，低水測(cè)次3次，垂線39根。比測(cè)的水位變幅43.52～50.12 m，ADCP 法測(cè)定水深變幅 0.47～10.6 m，絞車(chē)測(cè)定水深變幅 0.54～10.8 m。

3.4 流量比測(cè)

ADCP法和流速儀法的流量比測(cè)，收集比測(cè)資料54次，其中高水測(cè)次18次，中水測(cè)次28次，低水測(cè)次8 次。 比測(cè)的水位變幅 43.41～50.66 m，ADCP 法測(cè)定流量變幅635～9220 m3/s，流速儀法測(cè)定流量變幅647～9580 m3/s。

3.5 非實(shí)測(cè)區(qū)流量比測(cè)

吉安水文站流速儀法實(shí)測(cè)流量為固定測(cè)速垂線，當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)調(diào)整或補(bǔ)充測(cè)速垂線的情況時(shí)，則對(duì)測(cè)速測(cè)深垂線做出調(diào)整或補(bǔ)充，岸邊部分流速計(jì)算以靠岸邊垂線平均流速乘以岸邊流速系數(shù)α得。ADCP法施測(cè)時(shí)測(cè)船盡量靠近兩岸岸邊，測(cè)船距岸邊一般在4～10 m，從記錄的20次比測(cè)資料分析，左右岸非實(shí)測(cè)區(qū)流量在20 m3/s以內(nèi)，占斷面總流量的0.1%～0.7%，均未超過(guò) 1%。

流速儀法實(shí)測(cè)流速是在固定垂線上，而ADCP法實(shí)測(cè)左右岸邊部分流量時(shí)，最邊垂線是任意的，由于左右岸邊流速儀法測(cè)速垂線與ADCP法靠岸邊實(shí)測(cè)垂線不在同一位置，又左右岸非實(shí)測(cè)區(qū)流量占斷面總流量的比重較小，故岸邊部分流量未進(jìn)行比測(cè)。

3.6 誤差評(píng)定依據(jù)

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93）和《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》有關(guān)規(guī)定，以流速儀法實(shí)測(cè)水文要素為標(biāo)準(zhǔn)值，統(tǒng)計(jì)ADCP法實(shí)測(cè)水文要素與流速儀法實(shí)測(cè)水文要素的誤差，誤差評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：垂線平均流速和水深的隨機(jī)不確定度不超過(guò)3%，比測(cè)條件差的隨機(jī)不確定度不超過(guò)5%，系統(tǒng)偏差不超過(guò)±1%，標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)±5%；斷面流量的隨機(jī)不確定度不超過(guò)5%，系統(tǒng)偏差不超過(guò)±1%，標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)±5%。同時(shí)以水位流量關(guān)系定線的標(biāo)準(zhǔn)（75%以上的中高水點(diǎn)與平均關(guān)系曲線的偏離不超過(guò)±5%，75%以上的低水與平均關(guān)系曲線的偏離不超過(guò)±8%）作為評(píng)定ADCP法和流速儀法流量比測(cè)誤差的另一標(biāo)準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)研究成果

4.1 流速比測(cè)

ADCP法和流速儀法流速比測(cè)誤差評(píng)定結(jié)果，詳見(jiàn)表1。

ADCP法與流速儀法流速比測(cè)，所測(cè)流速在低水位級(jí)時(shí)，系統(tǒng)誤差符合規(guī)范要求，但隨機(jī)不確定度超出規(guī)范規(guī)定。在高、中水位級(jí)時(shí)系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度均超出規(guī)范規(guī)定，主要原因在于高、中水位級(jí)存在河底床沙運(yùn)動(dòng)和測(cè)船擺動(dòng)及兩種儀器測(cè)速位置不對(duì)應(yīng)所致。

4.2 水深比測(cè)

ADCP法和水文絞車(chē)的水深比測(cè)誤差評(píng)定結(jié)果，見(jiàn)表2。

表1 吉安水文站流速比測(cè)誤差評(píng)定表%

表2 吉安水文站水深比測(cè)成果評(píng)定表%

ADCP法與絞車(chē)法測(cè)定水深相關(guān)線呈近45°直線，二者具有很好的相關(guān)性，表明ADCP測(cè)定水深總體與絞車(chē)測(cè)定水深相等。但隨機(jī)不確定度超標(biāo)，其原因是兩種儀器很難做到在同一測(cè)點(diǎn)上測(cè)深，測(cè)點(diǎn)之間存在間距。

4.3 流量比測(cè)

ADCP法和流速儀法流量相關(guān)圖見(jiàn)圖1，誤差評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3。

分析表3，吉安水文站ADCP法與流速儀法流量比測(cè)，有較高的合格率，但在高、中水時(shí)系統(tǒng)誤差偏小，其誤差超出規(guī)范規(guī)定，其原因主要為高水時(shí)含沙量大，床沙的動(dòng)河床效應(yīng)明顯，使ADCP測(cè)得的流速偏小，而且水位越高，誤差越大。從圖1可見(jiàn)，水位從46.5 m起，ADCP法與流速儀法流量點(diǎn)據(jù)出現(xiàn)分叉，并且隨水位增高分叉越大，也說(shuō)明高中水位級(jí)ADCP法測(cè)得的流量較流速儀法測(cè)得的流量隨著水位增高誤差逐漸增大。

4.4 ADCP實(shí)測(cè)流量修正分析

通過(guò)ADCP法與流速儀法的流量比測(cè)分析，ADCP法實(shí)測(cè)流量較流速儀法實(shí)測(cè)流量呈系統(tǒng)偏小趨勢(shì)，且隨水位增高，偏差越大。為此，可與流速儀實(shí)測(cè)流量做進(jìn)一步的相關(guān)分析，探求其可適用性。

ADCP法測(cè)定流量與流速儀法測(cè)定流量從關(guān)系線分析，水位自45 m起，二者關(guān)系線出現(xiàn)分叉，且隨水位增高，分叉越大，自水位45 m起，水位每增高0.1 m，分叉線上流量的差值約為5 m3/s，至所定流量線最高水位51 m，差值約300 m3/s，根據(jù)此關(guān)系，以ADCP測(cè)定時(shí)的水位（H）做參證，建立（修正水位大于等于45 m所測(cè)ADCP 流量）修正關(guān)系為：QADCP修正＝（H-45）/0.02，將此修正流量加上ADCP測(cè)定流量，為修正后的ADCP流量。

由于ADCP法測(cè)定流量隨著水位的增高與流速儀法測(cè)定流量的差值呈線性關(guān)系，故可利用此相關(guān)關(guān)系和水位求出修正后的ADCP流量，再與流速儀法測(cè)定流量進(jìn)行誤差評(píng)定。

經(jīng)過(guò)修正后的ADCP流量與流速儀法實(shí)測(cè)流量的誤差評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果顯示，修正后的比測(cè)誤差符合評(píng)定依據(jù)的要求，表明吉安水文站ADCP實(shí)測(cè)流量經(jīng)修正后，誤差未超出規(guī)范要求，可作為常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)成果。

圖1 吉安水文站ADCP法與流速儀法水位流量關(guān)系圖

表3 吉安站流量比測(cè)成果評(píng)定表%

5 存在問(wèn)題與建議

吉安水文站高、中水位級(jí)ADCP法與流速儀法流速比測(cè)可取得較高的精度，而低水位級(jí)的合格率比高、中水位級(jí)偏低，主要原因?yàn)榈退瓵DCP法測(cè)速受行船不穩(wěn)定影響，或水深太淺，流速紊亂所致。

各水位級(jí)ADCP法測(cè)定水深與絞車(chē)法測(cè)定水深二者有很好的相關(guān)性。

從ADCP在吉安水文站比測(cè)試驗(yàn)情況分析，主要存在問(wèn)題：中低水位級(jí)實(shí)測(cè)流量ADCP法與流速儀法基本相符，而高水位級(jí)實(shí)測(cè)流量ADCP法較流速儀法呈系統(tǒng)偏小趨勢(shì)，且隨水位增高偏差增大；高、中水位級(jí)存在底沙運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致底跟蹤失效，測(cè)定的船速失真，水流流速偏小。

因此，針對(duì)存在的問(wèn)題，筆者建議：配備GPS，采用GPS測(cè)量船速，以消除有底沙運(yùn)動(dòng)時(shí)的影響；配備手持測(cè)距儀，測(cè)定ADCP至岸邊距離；配備GPS后，應(yīng)重新與流速儀法進(jìn)行比測(cè)分析。

表4 修正ADCP流量后誤差評(píng)定表%

由于ADCP法測(cè)定流量隨著水位的增高與流速儀法測(cè)定流量的差值呈線性關(guān)系，利用此相關(guān)關(guān)系和水位求出修正后的ADCP流量，誤差評(píng)定符合要求，表明吉安水文站ADCP實(shí)測(cè)流量經(jīng)修正后，誤差未超出規(guī)范要求，可作為常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)成果。