（遼寧省盤(pán)錦水文局，遼寧盤(pán)錦124030）

走航式寬帶ADCP洪水測(cè)驗(yàn)研究

王鳳艷，王維志

（遼寧省盤(pán)錦水文局，遼寧盤(pán)錦124030）

應(yīng)用走航式寬帶ADCP在遼河洪水期間進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，獲取多次實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，與同步流速儀法測(cè)得的流量對(duì)比分析，評(píng)價(jià)此型ADCP用于洪水測(cè)驗(yàn)的可行性和可靠性。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出該型ADCP適合于洪水流量測(cè)驗(yàn)，并且在洪水測(cè)驗(yàn)過(guò)程發(fā)揮出此儀器穩(wěn)定性好、精度高、速度快、成果可靠等特點(diǎn)。

寬帶ADCP；洪水流量測(cè)驗(yàn)；成果分析

受降水影響，遼河干流于2010年7月發(fā)生較大洪水。由于遼河盤(pán)山站測(cè)驗(yàn)斷面布設(shè)在遼河大橋上，用傳統(tǒng)的流速儀法施測(cè)洪水流量，存在儀器懸吊繩索長(zhǎng)、儀器入水位置難于控制等影響測(cè)驗(yàn)精度問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，并且保證及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量到盤(pán)山站洪水過(guò)程和洪峰流量，應(yīng)用走航式ADCP設(shè)備進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

但是做為走航式ADCP在實(shí)際測(cè)驗(yàn)中，多用于流速較小、沖淤變化不大的中低水水流情勢(shì)。對(duì)于高水位、大流速的洪水測(cè)驗(yàn)，還存在一些不確定因素，測(cè)驗(yàn)誤差是否滿足規(guī)范要求不是很清楚。通過(guò)對(duì)洪水流量的實(shí)際測(cè)驗(yàn)，與流速儀測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)兩組實(shí)測(cè)流量的誤差進(jìn)行分析，研究走航式寬帶ADCP用于大洪水測(cè)驗(yàn)的可行性和可靠性。

1 走航式寬帶ADCP介紹

ADCP，全稱聲學(xué)多普勒流速剖面儀，此次應(yīng)用的是美國(guó)RDI公司生產(chǎn)、頻率為600kHz走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，又稱寬帶ADCP。它配備4個(gè)換能器，每個(gè)換能器與ADCP軸線成一定的夾角，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。利用聲學(xué)原理，ADCP向水體發(fā)射固定頻率的聲波，這些聲波碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的顆粒物后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個(gè)頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP的速度。同時(shí)，還向河床發(fā)射底跟蹤聲波，測(cè)出ADCP的運(yùn)動(dòng)速度以及水深，然后將水流相對(duì)速度扣除船速（安裝ADCP平臺(tái)的移動(dòng)速度）得到水流的絕對(duì)速度。

根據(jù)多普勒頻移方程：

式中：Fd——聲學(xué)多普勒頻移；F——發(fā)射波頻移；V——沿聲束方向的水流速度；C——聲波在水中的傳播速度。

發(fā)射波頻移F已知，只要測(cè)定聲速C和聲學(xué)多普勒頻移Fd，即可計(jì)算出水流速度V。

寬帶ADCP是指聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法與窄帶不同，寬帶ADCP對(duì)于每一點(diǎn)的流速測(cè)量，發(fā)射2組或更多組脈沖波，利用脈沖波組之間的相關(guān)系數(shù)及相位差來(lái)計(jì)算多普勒頻移，其測(cè)量時(shí)短期誤差小,空間和時(shí)間分辨率較高。

盤(pán)山水文站所用ADCP為寬帶走航式，采用無(wú)線發(fā)射方式，主要技術(shù)參數(shù)為：工作頻率600 kHz，換能器發(fā)射角20°，工作電壓12V，測(cè)速范圍0.01～20m/s，測(cè)深范圍0.70～75.0m。

2 測(cè)驗(yàn)斷面情況

遼河由盤(pán)山縣沙嶺鎮(zhèn)六間房村進(jìn)入盤(pán)錦市境內(nèi)，又稱雙臺(tái)子河，經(jīng)盤(pán)錦市大洼縣入海。盤(pán)錦境內(nèi)流域面積2526km2，河長(zhǎng)102.8km。

盤(pán)山水文站位于盤(pán)錦市雙臺(tái)子區(qū)建設(shè)街道南遷社區(qū)，是遼河下游控制站，為國(guó)家基本站，集水面積為1.38萬(wàn)km2，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量等。測(cè)驗(yàn)斷面總寬1190m，其中主河道寬約280m。河道左右岸均為混凝土襯砌大堤，河床有沖淤變化。測(cè)流斷面設(shè)于雙臺(tái)子河大橋下游50m，距入?？?2 km。中、低水主河道寬約260m，水位達(dá)到6.0m時(shí)，河水漫過(guò)套堤，水面寬可達(dá)1100m。

3 洪水情況

遼河鐵嶺以上部分支流，受7月19日18時(shí)至22日8時(shí)強(qiáng)降水影響，發(fā)生大洪水，遼河干流發(fā)生中等洪水。此次洪水來(lái)勢(shì)快，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從上游到下游各站洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間情況見(jiàn)表1。

表1 遼河各站洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間表

4 流量測(cè)驗(yàn)情況

4.1 ADCP參數(shù)設(shè)置

根據(jù)歷史資料，盤(pán)山水文站測(cè)流斷面寬260m，最大水深近5m，斷面平均流速在0.5～1.4m/s之間。結(jié)合此次洪水發(fā)生時(shí)盤(pán)山水文站測(cè)流斷面情況、水流情勢(shì)，ADCP主要參數(shù)設(shè)置為：水跟蹤發(fā)射次數(shù)為4；底跟蹤發(fā)射次數(shù)為4；水深單元個(gè)數(shù)16個(gè)；鹽度為0；盲區(qū)為0.25m，水深單元高度0.50m；測(cè)流模式為1，左、右岸邊流速系數(shù)均為0.7；最大水深6.0m；最大流速2.0m/s；上下盲區(qū)流量采用冪函數(shù)流速剖面方法外推，冪指數(shù)為0.1667。

4.2 施測(cè)方法

人員在橋面上用繩索將ADCP固定后懸吊于河水中，測(cè)量人員于橋面上控制ADCP的行進(jìn)速度。每次流量施測(cè)1個(gè)來(lái)回，即2個(gè)測(cè)次，需要10～15min。在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，起始及終了位置通過(guò)事先在橋面已做好的標(biāo)志定位。正式開(kāi)始采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，保證測(cè)船在洪水中避開(kāi)漂浮物、平穩(wěn)行進(jìn)，保持船速小于平均流速，使船速和航向不發(fā)生突變，防止出現(xiàn)較大誤差，獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果?？刂泼總€(gè)測(cè)回往返流量誤差在±5．0%以內(nèi)，若超過(guò)則追加1個(gè)測(cè)回。最后以在誤差范圍內(nèi)的測(cè)次的算術(shù)平均值作為最終ADCP流量測(cè)驗(yàn)值。

5 流量成果分析

1）對(duì)2次洪水過(guò)程進(jìn)行了9次流量測(cè)驗(yàn)，水位變幅為2.31m，最大流量為1430m3/s，最小流量為444m3/s。以流速儀流量為基準(zhǔn)，計(jì)算2種方法測(cè)得流量的誤差，情況見(jiàn)表2。

2）在洪水期間，應(yīng)用流速儀進(jìn)行了同步施測(cè)。通過(guò)對(duì)2種方法施測(cè)的流量進(jìn)行對(duì)比分析，流量誤差在±0.2%～±5.0%之間，全部符合規(guī)范要求。以2種方法各自計(jì)算7月26日至8月19日水量，流速儀法施測(cè)流量推算出水量為21.4億m3，以ADCP法施測(cè)流量推算同期水量為21.2億m3，兩者相差僅為0.9%。

6 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用走航式寬帶ADCP對(duì)遼河洪水過(guò)程進(jìn)行流量施測(cè)，采集到9次實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，與流速儀同期測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，2種方法測(cè)得流量最大差未超過(guò)5%。說(shuō)明帶寬為600kHz的走航式寬帶ADCP，在施測(cè)大洪水時(shí)，只要正確設(shè)置儀器測(cè)驗(yàn)參數(shù)，嚴(yán)格按照規(guī)范流程進(jìn)行操作，完全能夠滿足大洪水流量測(cè)驗(yàn)，并且可以充分發(fā)揮其穩(wěn)定性好、精度高、速度快等特點(diǎn)。

［1］SL337-2006，聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社.

［2］SL247-2012，水文資料整編規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社.

［3］田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社.

［4］丁克亮，唐山紅.走航式ADCP在2003年淮河大洪水中的應(yīng)用［J］.安徽水利科技，2003（3）.

［5］韓燈亮，戴善進(jìn).走航式ADCP在博羅（二）水文站應(yīng)用［J］.廣東水利水電，2010（1）.

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