ADCP河流流量测验及其误差

ADCP河流流量测验及其误差

廖丽红

广东省水文局广州水文分局三善滘水文站广东广州510000

摘要：目前，ADCP已经在我国多个行业领域内得以应用，尤其是其在河流流速与流量测量工作中的应用，不仅提高了测量效率，还有效提升了测量结果的精确程度。文章对ADCP工作原理进行了论述，对ADCP与传统流速仪之间的性能进行对了比和比测，同时对ADCP河流流量测验误差成因进行了分析，进而探讨了ADCP河流流量测验误差的控制措施。

关键词：ADCP；流量测验；误差；传统测速仪；推移质运动

ADCP又叫做声学多普勒流速剖面仪，现阶段已经普遍应用在水文测量以及海洋流场结构测量等多个方面。相比于传统流速仪，ADCP在使用过程中，具有耗时短、效率高等明显优势，该系统的广泛应用，大大提高了水流流速与流量测量的现代化水平。但在实际应用中，受到复杂水流环境的影响，ADCP测验结果还常常会存在一定的误差，因此，必须加强对ADCP河流流量测验各个环节各个方面的分析，以便于将误差控制在合理范围内。

1.ADCP基本工作原理

ADCP是一种较为先进的河流流量检测系统，其主要由计算机、数据采集软件已经ADCP换能器等构成，该系统能够通过声学换能器发射声脉冲，反散射水中浮游生物以及泥沙颗粒等反散射体。ADCP能够对各种水层的三维流动速度以及流动方向进行测量，也就是能够将河流的流速剖面测量出来，其测量结果具有较高的精度，同时测量过程耗时较短，并且能够采集到相当丰富和完整的资料[1]。该系统在复杂的流态环境中更为适用，测验效率非常高，在很大程度上提升了水文测验水平。

2.ADCP与传统流速仪的性能对比

ADCP系统通过动态测验的方式来采集相关资料，在作业过程中，将其水下换能器部分垂直固定到船头或船舷部位，测量船由河流断面一端行驶到另一端后，就能够将河流流速及其深度等所需数据信息完整采集到系统中。同时，ADCP可在不同河道流速及深度环境中，采用相应的工作频率与分辨率来开展测量工作。在具体测量过程中，ADCP可测流速范围在每秒10米以内，测量精度是每秒0.5厘米，测量深度范围是180米之内。

第一点，传统流速仪采用的是静态测量的方式，在所要测量的河流断面处布设很多条垂线，利用各条垂线来测量河流深度，同时利用流速仪对垂线上各点流速进行测量，然后通过计算获得垂线上的平均流速，并在此基础上计算出断面平均流速及其面积，最后将二者相乘获得断面的具体流量[2]。

第二点，在应用ADCP进行采样时，其速度非常快，并能对断面进行细分。相比于传统流速仪测量方式，利用ADCP能够获得更多的垂线流量，工作效率是传统方式的很多倍。传统流速仪无法细分断面，并且仅可对单点进行测量，因此，通过ADCP获得的数据结果具有更高的质量。

第三点，ADCP有个较为明显的优势，就是其能将与航线垂直的流速分量有效测量出来。同时，航线不会影响到ADCP的测量结果，无论是斜航线、直航线还是其他各种形状的航线，都能通过ADCP进行测量。

第四点，在利用传统流速仪进行测量的过程中，需要工作人员随时手动记录和计算相关数据，然后再进行测验成果的编制。此种方式不仅耗费大量的时间和精力，还极易出现错误，工作效率相对较低。而通过ADCP进行联机测流，能够即时计算和存储测量数据，大大提升了水文测验的工作效率和水平。ADCP在极大程度上弥补了传统流速仪的不足，能够在不扰动流场的情况下，直接将河流断面流速测量出来，优势十分明显。

3.ADCP与传统流量测验的比测

这里根据广州水文分局三善滘水文站2017年的比测资料进行阐述。

3.1比测试验的内容

第一点，测点流速的测量对比。分别利用ADCP系统以及传统流速仪对固定垂线测点进行测量，然后对比二者所得测量结果。

第二点，断面流量的测量对比。分别利用ADCP系统以及传统流速仪对各种流量以及水位环境中的断面流量进行测量，并通过比测来确定不同流量环境中ADCP的适用情况。

第三点，流量重复性比测。在同一测次中，反复来回测量，以确定测量仪器的稳定性。分别利用ADCP系统以及传统流速仪在各种流量级别与水位环境中进行测量对比试验，从而对二者的关系稳定性进行检验。

第四点，进一步明确传统流速仪与ADCP测量成果数据资料间的转换关系。

3.2比测结果

三善滘水文站从2017年3月1日到11月2日，利用传统流速仪与ADCP分别开展了85次流量比测，比测流量的绝对值范围是200——11000立方米每秒，结果显示，在倒灌期负流量以及小流量环境中，具有很大的相对误差，误差范围是22.1%——-370.5%。倒灌期间，断面水流顺逆不稳的情况下，传统流速仪所测断面垂线数量相对较少，不具有代表性，从而使其所测断面流量结果出现较大误差。同时传统流速仪测量所需时间相对较多，水流的变化会对其测量精度造成一定影响。

4.ADCP河流流量测验误差的影响因素

利用ADCP所得流速测量结果，是在测量船速度与水层速度的合成矢量减去测量船航行速度矢量差的基础上求出的，所以ADCP流量测量的主要误差原因在于合成矢量、水流深度以及测量船航行速度矢量三者各自的测量误差。具体内容如下：

第一点，高含沙水流在一定程度上增强了声波能量的吸收与反射作用，在换能器周边水域，回波强度增加，但相对较远的水域，回波强度不断减弱，这在很大程度上减小了ADCP的剖面深度，从而使ADCP在水深测量以及底跟踪测量方面的误差大大增加。

第二点，河底推移质运动在一定程度上影响到测量船的航行速度。在水体流速较大的情况下，水流会推动河底泥沙形成推移质运动现象，这会相应增大ADCP测到的航行速度，而其测出的水层流速比实际流速相对要小，并且水层流向也会出现一定偏差[3]。

第三点，在测量河流流量时，深度单元尺寸的选择，会对剖面深度、水层流速测量精度等产生一定影响。如果所选单元尺寸相对较小，流速测量垂线分辨率就会较高，实测范围也相对较大，而流速测量精度以及剖面深度却相应下降。如果所选单元尺寸相对较大，表层未测区域会相应增大。此外，流速测量精度与单元尺寸之间呈现出阶跃函数的关系。

第四点，脉冲数据输出方式的不同，也会对流量及流速的测量精度产生一定影响。采用单脉冲数据输出的方式，会促使单位时间内ADCP的脉冲采样数量下降，也就是降低了脉冲采样速率，进而导致流量、流速的测量精度的下降。采用多脉冲数据输出方式，可在采样数据平均值的基础上将微断面流量计算出来，从而有效提升数据计算与处理的效率，节约出更多的时间来发射脉冲。

第五点，在计算流量的过程中，一般通过指数流速剖面法，对ADCP非实测区域的表层或底层平均流速进行推算，其假设明渠均匀流速在垂向上的分布能够通过指数公式表示。但天然河流的流速大都不均匀，并且指数选择会对流量计算的精度有直接性影响。

5.ADCP河流流量测验误差的控制措施

第一点，在高含沙水流中，ADCP无法正常开展水深测量与底跟踪活动，所以可通过查分GPS来对测量船航行速度进行测量，并通过回声测探仪对水体深度进行测量，从而有效减小高含沙水流导致的测量误差。

第二点，工作人员可通过频率的合理选用，来有效减小河底推移质运动导致的测量误差。在推移质运动过程中，水体内的含沙量一般都很高，但低频声波具有很强的穿透力。同时，工作人员还可将跟踪脉冲的长度合理减小，从而有效消除推移质于东导致的误差。当这些措施不起作用的情况下，工作人员可通过罗盘以及高精度GPS系统来测量航船速度，在此过程中，应提前对ADCP外部罗盘进行标定。此外，要保证较低的测量船航行速度，必要情况下，可将其航行速度降到河流平均流速之下。

第三点，在水体深度较大的情况下，工作人员可选用较大的单元尺寸。而在水体深度较小的情况下，可选用相对较小的单元尺寸，从而促使实测范围扩大，进而有效减小不同深度环境中单元尺寸导致的测量误差。

第四点，由于流量与流速测量精度与脉冲采样速率的平方根成正比例关系，多脉冲数据输出所测精度是单脉冲数据输出的1.5倍左右，所以，工作人员应积极采用多脉冲数据输出的方式，以有效减小因脉冲数据输出形式不同而导致的测量误差[4]。

第五点，工作人员可通过多次比测率定指数的方式，率定不同断面的指数，从而将ADCP非实测区域内表层或底层流量计算的误差有效减少。

6.结语

总之，ADCP比传统流速仪具有更加良好的性能，高度重视其在河流流量测验中的应用，对减轻工作人员工作量，提高工作效率等方面，有着十分重要的现实意义。因此，相关工作人员必须熟练掌握ADCP的基本工作原理，充分了解ADCP与传统流速仪之间的差异，在具体使用过程中，要全面分析各方面因素的影响，并采取合理的应对措施，从而最大程度地降低ADCP河流流量测验中出现的误差。

参考文献：

[1]周翠翠.ADCP流速数据质量控制及系统的误差修正[D].东南大学，2016.

[2]秦红.上海泖甸水文站水平式ADCP流量测验研究[J].水利水电快报，2018（1）.

[3]刘洋，李伟，田长涛.ADCP河流流量测量应用实例分析[J].科技创新与应用，2018（13）.

[4]张桂杰.走航式ADCP系统在水文测验中的应用分析[J].地下水，2018（3）.