杜亞南,張良平,游目林

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局,上海 200136)

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鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)對(duì)ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)精度的影響

杜亞南,張良平,游目林

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局,上海 200136)

針對(duì)鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)的ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置羅經(jīng)受船磁力影響,導(dǎo)致流向測(cè)驗(yàn)出現(xiàn)偏差的問題,通過2009—2011年徐六涇水文站定線比測(cè)大、中潮水文測(cè)驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料,分析采用垂直于斷面的方位角作為流向(流向不修正)和采用斷面各垂線實(shí)測(cè)平均流向作為流向(流向修正)兩種情況下鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)對(duì)ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)精度和流量、潮量計(jì)算的影響。結(jié)果表明：無論是否修正流向,計(jì)算得到漲落潮流量、潮量以及全潮下泄潮量和走航式ADCP定線比測(cè)的實(shí)測(cè)資料相比,誤差均較小,精度都很高;在流量和潮量計(jì)算時(shí),可以對(duì)鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)ADCP流向不做修正。

鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo);水文監(jiān)測(cè);流量測(cè)驗(yàn);測(cè)驗(yàn)精度;ADCP;徐六涇水文站

ADCP(acoustic Doppler current profiler) 作為一種水文監(jiān)測(cè)儀器,自從20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)以來得到了廣泛的應(yīng)用。ADCP 是一種聲學(xué)測(cè)量?jī)x器,使用聲學(xué)多普勒原理進(jìn)行流速測(cè)量。早期采用窄帶技術(shù)的ADCP采用非相干脈沖速度測(cè)量,后期采用寬帶技術(shù)的ADCP 則是依靠測(cè)量聲波的時(shí)間延遲而不是頻率的變化來計(jì)算流速[1-2]。流速流向是潮汐調(diào)查的基本要素之一,當(dāng)前使用的流速流向儀器觀測(cè)類型較多,按照流向的測(cè)量可以分為兩類: 一類是通過外部羅經(jīng)計(jì)算得到流向。外部羅經(jīng)具有不受磁場(chǎng)分布影響、不受速度和緯度影響、沒有累積誤差等優(yōu)點(diǎn),能穩(wěn)定地提供較為準(zhǔn)確的方向數(shù)據(jù),得到的流向誤差較小[3]。另一類使用儀器內(nèi)部自帶磁羅經(jīng)。船舶上的鋼鐵材料,由于受地磁場(chǎng)磁化而產(chǎn)生磁性,稱為船磁, 船磁對(duì)安裝在船上的磁羅經(jīng)羅盤的作用力稱為船磁力。由于船磁力的影響,羅經(jīng)產(chǎn)生除磁差以外的指向誤差,影響用于導(dǎo)航的磁羅經(jīng)產(chǎn)生自差的原因很多且非常復(fù)雜[4]。

用鋼鐵材料制成的水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo),對(duì)安裝在浮標(biāo)內(nèi)部ADCP自帶的磁羅經(jīng)也會(huì)產(chǎn)生指向誤差,實(shí)際測(cè)得的方向是地磁力和浮標(biāo)磁力的合力方向即羅北方向,使觀測(cè)得到的流向與實(shí)際流向產(chǎn)生偏差[5-6]。李占橋等[4]研究表明,船磁力對(duì)流速影響較小,對(duì)流向影響較大。國內(nèi)外對(duì)ADCP內(nèi)置磁羅經(jīng)受鋼鐵材質(zhì)船磁力的流向影響研究較多[7-11],對(duì)流量影響的研究較少。本文采用2009—2011年徐六涇水文站定線比測(cè)大、中潮水文測(cè)驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料,分析采用垂直于斷面的方位角作為流向(流向不修正)和采用斷面各垂線實(shí)測(cè)平均流向作為流向(流向修正)兩種情況下鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)對(duì)ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)精度和流量、潮量計(jì)算的影響程度,從而分析鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)的ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)精度。

表2 中泓組合流速與中泓流量關(guān)系曲線精度及曲線檢驗(yàn)結(jié)果

注:(+)表示計(jì)算流量大于實(shí)測(cè)流量,(-)表示計(jì)算流量小于實(shí)測(cè)流量。

1 測(cè)驗(yàn)情況簡(jiǎn)介

徐六涇水文站位于長(zhǎng)江河口段,長(zhǎng)江河口屬于海陸雙向性河口,徐六涇斷面寬5 881 m,為復(fù)式河床結(jié)構(gòu),采用代表線法測(cè)驗(yàn)與整編潮流量過程。由于徐六涇水文站測(cè)流斷面在漲落潮過程中的流速分布變化比較復(fù)雜,以單線或雙線組合作為代表線整編潮流量過程精度相對(duì)較差,多線組合才能滿足潮流量整編精度的要求,因此在徐六涇水文斷面建設(shè)了5條監(jiān)測(cè)垂線,從左向右依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)浮標(biāo)及2號(hào)水文平臺(tái),構(gòu)成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)。徐六涇水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo)由浮標(biāo)浮體、監(jiān)測(cè)儀器(ADCP)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、供電系統(tǒng)等組成。浮標(biāo)浮體采用聚脲材料制作,浮體內(nèi)部填充彈性閉孔泡沫,并采用金屬材料做增強(qiáng)骨架,浮體預(yù)設(shè)儀器安裝孔和固定支座等,安裝ADCP監(jiān)測(cè)儀器,標(biāo)體支架上采用太陽能電池板和免維護(hù)蓄電池為儀器供電。使用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸完成實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)分析。

徐六涇斷面寬闊,測(cè)驗(yàn)將整個(gè)測(cè)流斷面分為4個(gè)子斷面,從左岸(起點(diǎn)距0 m)～2 000 m為1號(hào)斷面,稱為左邊灘;2 000～3 600 m為2號(hào)斷面,3 600～5 200 m為3號(hào)斷面,稱為中泓部分;5 200～5 881 m為4號(hào)斷面,稱為右邊灘。2005年,根據(jù)代表線法測(cè)流原理,采用浮標(biāo)ADCP 結(jié)合平臺(tái)ADCP 的測(cè)流系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了潮流量實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè),通過每年3、7、10月走航式ADCP實(shí)測(cè)的定線比測(cè)資料分析計(jì)算,徐六涇水文站成功實(shí)現(xiàn)了潮流量整編[12]。

2008年11月,徐六涇斷面潮流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面升級(jí),升級(jí)后的浮標(biāo)浮體由鋼材制成。鋼鐵材質(zhì)制成的水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo),相對(duì)于聚脲材料和泡沫制作的水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo)穩(wěn)定性好、抗碰撞能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)。

2 數(shù)據(jù)處理和精度統(tǒng)計(jì)

從走航ADCP測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取中泓流量、左邊灘流量和右邊灘流量,中泓流量為2號(hào)、3號(hào)斷面實(shí)測(cè)流量之和。提取浮標(biāo)及平臺(tái)位置的垂線流向數(shù)據(jù),計(jì)算各垂線的平均流向,結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)垂線平均流向統(tǒng)計(jì)

為研究流向與計(jì)算流量的關(guān)系,在定線分析時(shí)用兩種方法計(jì)算分析:

a. 方法一。徐六涇斷面的方位角為185°,把浮標(biāo)測(cè)得的流向認(rèn)為垂直于徐六涇斷面,即認(rèn)為斷面上5個(gè)垂線所有漲潮流向是275°,所有落潮流向是95°。

b. 方法二。5個(gè)垂線分別采用表1中各自測(cè)得的垂線平均流向作為垂線流向,從而對(duì)實(shí)測(cè)流向進(jìn)行修正。

采用2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)浮標(biāo)和2號(hào)平臺(tái)ADCP實(shí)測(cè)流速,分別利用這些垂線的平均流速進(jìn)行面積加權(quán)求出組合流速,推求組合流速與中泓流量、左邊灘流量、右邊灘流量的關(guān)系。

2.1 中泓部分流速流量關(guān)系的推求

中泓部分流速的組合利用2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)浮標(biāo)流速和2號(hào)平臺(tái)流速,對(duì)中泓組合流速與實(shí)測(cè)中泓斷面的流量采用2009年3月2次測(cè)驗(yàn)資料分別按方法一和方法二建立流速-流量關(guān)系,并進(jìn)行偏差、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度(α=5%、α=25%)、相關(guān)性檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出,兩種方法統(tǒng)計(jì)的流速-流量關(guān)系曲線精度及曲線檢驗(yàn)結(jié)果相差很小,且均符合規(guī)范的要求。

2.2 左、右邊灘流速相關(guān)關(guān)系的推求

利用1號(hào)浮標(biāo)平均流速與左邊灘平均流速建立相關(guān)關(guān)系,利用2號(hào)平臺(tái)平均流速與右邊灘平均流速建立相關(guān)關(guān)系,利用2009年3月2次測(cè)驗(yàn)資料分別采用方法一和方法二建立漲潮流速、落潮流速相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 左、右邊灘平均流速相關(guān)關(guān)系

從表3可以看出,采用兩種方法計(jì)算得到的左、右邊灘流速相關(guān)關(guān)系很接近,都達(dá)到了精度要求。

3 流量和潮量對(duì)比分析

3.1 流量

利用定線公式,分別計(jì)算出方法一和方法二兩種情況下的流量,計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Q左、Q右、Q中、Q分別為左邊灘、右邊灘、中泓和整個(gè)斷面流量；K左、K右分別為左、右邊灘系數(shù)；V1浮、V2平分別為1號(hào)浮標(biāo)流速和2號(hào)平臺(tái)流速；S左、S右分別為左、右邊灘面積；n為部分面積數(shù)；qi為相鄰兩測(cè)速垂線間的部分流量。

2009年3月大、中潮2次測(cè)驗(yàn)流量的對(duì)比分析見表4和表5(表中誤差1是兩種方法定線計(jì)算流量之間的相對(duì)誤差;誤差2是方法一定線計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量間的相對(duì)誤差;誤差3是方法二定線計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量間的相對(duì)誤差)。

從表4和表5可以看出,方法一計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量間的相對(duì)誤差(誤差2)與方法二計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量間的相對(duì)誤差(誤差3)一致性很高。兩種方法計(jì)算流量的相對(duì)誤差(誤差1)在小流量時(shí)較大,但絕對(duì)誤差較小,大潮最大為2.7%,中潮最大為2.6%,其余誤差全斷面都很小,大部分在1%左右。

利用定線公式,分別對(duì)2010年和2011年3月大、中潮測(cè)驗(yàn)資料采用方法一進(jìn)行全斷面計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量驗(yàn)證,結(jié)果見圖1～4。

表4 兩種方法定線計(jì)算的流量對(duì)比 (2009年3月24—25日部分時(shí)段全斷面大潮)

圖1 2010年3月17—18日大潮方法一 計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量對(duì)比

圖2 2010年3月20—21日中潮方法一 計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量對(duì)比

日期時(shí)刻計(jì)算流量/(m3·s-1)方法一方法二實(shí)測(cè)流量/(m3·s-1)誤差1/%誤差2/%誤差3/%30日31日13：0064683644556352604181514：00-1615-1646-1735-19-69-5115：00-75247-75039-7785803-34-3616：00-72774-72579-6935403494717：00-40872-40932-41768-01-21-2018：0050864965509324-01-2519：00469244742250615-11-73-6320：0066640664177018903-51-5421：0074624743607402204080522：0073439731877452303-15-1823：00702137062071557-06-19-130：00689116931868025-0613191：0060933607186164104-11-152：00-3591-3500-375126-43-673：00-86249-86816-90157-07-43-374：00-90541-90261-9103703-05-095：00-67712-67655-655630133326：00-23356-23058-2465213-53-657：0032490323863423103-51-548：00627596320265286-07-39-329：0072932726877390703-13-1710：00751517553676506-05-18-1311：0075027747607361804191612：0072354721047162503100713：0067080668456657904080414：0048582484104751404221915：00-36563-36543-3886301-59-6016：00-68157-68065-7048901-33-3417：00-53731-53721-5522000-27-2718：00-22653-22696-21986-023032

圖3 2011年3月20—21日大潮方法一 計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量對(duì)比

圖4 2011年3月17—18日中潮方法一 計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量對(duì)比

從圖1～4可以看出,2010年和2011年3月大、中潮全斷面方法一計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量誤差均在5%之內(nèi),小流量情況下,誤差相對(duì)較大,大流量情況下,誤差相對(duì)較小。

3.2 潮量

對(duì)2009年3月大、中潮分別采用兩種方法計(jì)算的流量和實(shí)測(cè)流量根據(jù)式(5)計(jì)算潮量,結(jié)果見表6。

(5)

式中:W為潮量;t0、t1為相鄰的2個(gè)憩流時(shí)間。

表6 大、中潮潮量對(duì)比 億m3

從表6可以看出,采用3種流量計(jì)算得到的漲潮、落潮、全潮潮量都非常接近,相互之間的誤差均較小,最大相對(duì)誤差只有2.3%(為采用方法一計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量這兩種流量計(jì)算得到的中潮漲潮潮量-14.52億m3和-14.20億m3之間的相對(duì)誤差),精度均較高。

3.3 精度評(píng)價(jià)

一般情況下,流量誤差包括流量測(cè)驗(yàn)誤差和流量計(jì)算誤差。劉桂平等[13]研究表明,對(duì)于同一斷面,流量計(jì)算精度主要由測(cè)速垂線數(shù)量的多少?zèng)Q定。測(cè)速垂線越多,精度越高,誤差越小;測(cè)速垂線越少,精度越低,誤差越大。流量測(cè)驗(yàn)誤差在流量誤差中起決定性的作用,而流量計(jì)算誤差在流量誤差中也起著重要的作用。

根據(jù)GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》,徐六涇斷面流量測(cè)驗(yàn)的誤差來自于定點(diǎn)ADCP測(cè)驗(yàn)誤差和走航式ADCP測(cè)驗(yàn)誤差,流量計(jì)算誤差來自于定點(diǎn)ADCP流量計(jì)算誤差和走航式ADCP定線流量計(jì)算誤差。因此,前文分析的流量計(jì)算誤差,包含了定點(diǎn)ADCP測(cè)驗(yàn)誤差和走航式ADCP測(cè)驗(yàn)誤差及其各自的流量計(jì)算誤差。計(jì)算結(jié)果表明,不論對(duì)流向數(shù)據(jù)是否修正,計(jì)算得到的各種流量和潮量誤差均較小,精度都很高。

4 結(jié) 語

在現(xiàn)有徐六涇斷面水流動(dòng)力條件、測(cè)流斷面條件及實(shí)際測(cè)驗(yàn)布置狀況下,本文對(duì)采用垂直于斷面的方位角作為流向(流向不修正)和采用斷面各垂線實(shí)測(cè)平均流向作為流向(流向修正)兩種情況下鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)對(duì)ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)精度和流量、潮量計(jì)算的影響進(jìn)行了計(jì)算分析,通過流量、潮量分析與精度評(píng)價(jià),結(jié)果表明,無論對(duì)流向數(shù)據(jù)是否修正,其計(jì)算的漲落潮流量、潮量以及全潮下泄潮量和走航式ADCP定線比測(cè)的實(shí)測(cè)資料相比,誤差均較小,精度都很高。因此,在流量和潮量計(jì)算時(shí),可以對(duì)鋼鐵材質(zhì)浮標(biāo)ADCP流向不做修正。鋼鐵材質(zhì)制成的水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo)相對(duì)于聚脲材料和泡沫制作的水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo),穩(wěn)定性好、抗碰撞能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)。使用鋼鐵材質(zhì)的ADCP水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于提高測(cè)驗(yàn)精度、減少測(cè)驗(yàn)投入、提高測(cè)驗(yàn)效率非常有益。

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Effects of steel buoy on flow measurement accuracy of ADCP hydrological monitoring system//

DU Ya’nan, ZHANG Liangping, YOU Mulin

(YangtzeRiverEstuarySurveyBureauofHydrologyandWaterResource,ChangjiangWaterResourcesCommission,Shanghai200136,China)

The inner compass of the acoustic Doppler current profiler (ADCP) hydrological monitoring system with steel buoys is affected by a ship’s magnetism, which leads to deviation of the measured flow direction. Based on data measured at Xuliujing Hydrological Station during the spring tide and middle tide from 2009 to 2011, the effects of steel buoys on the flow measurement accuracy of an ADCP flow measurement system and the calculation results of discharge and tidal volume were investigated under the conditions when the angle perpendicular to the cross-section was used as the flow direction (without flow direction correction) and when the measured mean flow direction of the verticals on the cross-section was used as the flow direction (with flow direction correction). The results show that, compared with the data measured with the vessel-mounted ADCP, the discharge and tidal volume of flood tides and ebb tides and the sum of tidal volume show small errors and high precision, whether the flow direction is corrected or not. It is concluded that the flow direction of the ADCP system with steel buoys can be uncorrected in the calculation of discharge and tidal volume.

steel buoy; hydrological monitoring; flow test; measurement accuracy; ADCP; Xuliujing Hydrological Station

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201201068)

杜亞南(1969—),男,高級(jí)工程師,主要從事水文測(cè)繪及技術(shù)管理工作。E-mail:cjkduyn@126.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.010

P335

A

1006-7647(2017)01-0055-05

2016-01-20 編輯：熊水斌)