薛晟 曹華東 辛紅俠 付光鋒 蒙雅雯 唐明

摘要：ADCP剖面流速儀是由美國引進(jìn)的一種河道斷面流量測量儀器，具有重量輕，易于操作、工作穩(wěn)定、測驗速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。2004年，上級為黃委小浪底水文站配發(fā)該儀器一臺，該儀器與傳統(tǒng)的流量測量儀器流速儀的比測分析成為正式投入應(yīng)用的先決條件。

關(guān)鍵詞：ADCP，流速儀，比測分析

中圖分類號： S932.9+14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

黃委會小浪底水文站位于河南省濟(jì)源市坡頭鄉(xiāng)泰山村，建站于1955年4月，流域集水面積694221km2，距黃河口距離892km，是小浪底水庫的出庫控制站，屬國家重要水文站，擔(dān)負(fù)著長期收集水資源資料和提供雨水情信息的重要任務(wù)。

2004年，上級給小浪底水文站配置ADCP剖面流速儀一臺，經(jīng)過多年比測實驗和分析，目前，在2000m3/s以下流量級，該儀器測驗數(shù)據(jù)精度符合有關(guān)規(guī)范要求，已經(jīng)作為正式資料應(yīng)用?，F(xiàn)對該儀器應(yīng)用幾年以來流量在2000m3/s以上的實測資料和流速儀實測資料進(jìn)行對比分析，確定在2000m3/s以上流量情況下，該儀器測驗資料是否符合有關(guān)規(guī)范精度要求。

一、實驗內(nèi)容與資料收集方法

1、實驗分析內(nèi)容

現(xiàn)選取2004年至2008年共四年流量在2000m3/s以上的ADCP剖面流速儀與流速儀實測資料進(jìn)行對比分析，根據(jù)該儀器與流速儀法精度誤差情況，以確定該儀器在2000m3/s以上時在該站是否適用。

2、資料收集方法

（1）流速儀法：主要采用黃測B201吊船，400kg鉛魚懸掛ls25—3型流速儀進(jìn)行施測。測驗方法采用常測法，100秒歷時，人工記數(shù)、手工操作。

（2）ADCP法：將ADCP懸掛于沖鋒舟或黃測B201吊船一側(cè)1米以外，由船帶ADCP沿斷面橫向移動，測得斷面流量等數(shù)據(jù)。施測斷面位置一般設(shè)在流量測驗斷面下游的10米到60米范圍的河段內(nèi)，每次施測兩個測回，要求每半測回流量值與平均值的偏差不大于5%，計算其平均值作為ADCP同步所施測的流量。

二：比測分析使用的儀器設(shè)備情況

1、流速儀法

吊船過河纜1992年7月建成投產(chǎn)，兩岸均為自立式鋼塔， 左岸鋼塔高3.5m，右岸鋼塔高30m，主跨788m，主纜為上下平行雙纜結(jié)構(gòu)，直徑31 mm ，最大荷載時最低點(diǎn)高度157.56m，設(shè)計最高應(yīng)用水位156.00m。

測船：“黃測B201”鋼質(zhì)吊船一艘，1996年8月投產(chǎn)，長22.99m，寬5.00m，吃水深0.50m，裝有400kg鉛魚和鉛魚懸吊設(shè)備，測洪能力5000m3/s；另有5.95m玻璃鋼船一艘，2001年11月投產(chǎn)，配有操作機(jī)一臺，用于右岸灘區(qū)測驗。

其他測驗器具：HW-1000型自記水位計一套，最高測至143.00m，經(jīng)緯儀一架，水準(zhǔn)儀二架， 機(jī)械天平一臺(1/100感量)， 電子天平一臺， LS25—3型流速儀7架，水準(zhǔn)尺3付，采樣器8個，測深桿8根，秒表4只，計算機(jī)兩臺。

2、ADCP剖面流速儀

2004年5 月配發(fā)的美國駿馬系列瑞江ADCP剖面流速儀（WHRZ1200-1型1200KHz ）1臺。

實驗期間ADCP參數(shù)設(shè)置表

三：比測實驗資料情況

1、對比試驗時間段

小浪底水文站自2004年5月配備ADCP以來，每年都進(jìn)行比測實驗，但由于平時流量較小，只有在調(diào)水調(diào)沙期間流量才會大于2000m3/s，在2004,2006,2007,2008四年中，流量在2000m3/s以上測次共30次，各年比測次數(shù)如下表1：

表1比測年份及2000m3/s以上比測次數(shù)

2、比測實驗資料

表2為各年度流量在2000m3/s以上的比測數(shù)據(jù)資料，為與2000m3/s以下流量接圖，摘錄部分2000m3/s以下點(diǎn)據(jù)。

表2各年度比測資料情況

四、比測試驗數(shù)據(jù)誤差分析

（一）：兩種方法水位～流量關(guān)系曲線對比情況

1、綜述：

因為每次測驗都有各種因素所造成的一定的誤差，通過定線可以基本消除這部分誤差。按照臨時曲線法，對流速儀和ADCP法實測點(diǎn)據(jù)分別定線，在總水位變幅內(nèi)，每10公分一個數(shù)據(jù)，分別在線上查讀ADCP及流速儀流量數(shù)據(jù)，對兩種不同方法所得流量結(jié)果進(jìn)行誤差分析，從而判斷兩種測驗方法數(shù)據(jù)結(jié)果的差異性。

2、水位~流量關(guān)系曲線如圖1：

3、誤差分析

表3各水位級兩關(guān)系線相對誤差

從表3可以看出，誤差有如下特點(diǎn)：

（1）在2000m3/s～4220 m3/s流量段，ADCP測得結(jié)果比流速儀法系統(tǒng)偏大，相對誤差數(shù)值在+1.5%～+10.2之間。

（2）相對誤差數(shù)值隨著水位的增高和流量的增大而增大。

4、誤差成因分析

所有誤差均為正值，說明ADCP測法數(shù)據(jù)普遍大于流速儀測法數(shù)據(jù)，原因可能為：

（1）、流速儀靠轉(zhuǎn)子入水沖擊轉(zhuǎn)動來測速，而ADCP為非接觸式，所以流速儀施測流量時更易受到水草等漂浮物的干擾，而且還易受到流速儀定位、流向偏角、人工計時誤差等的影響，而在調(diào)水調(diào)沙期間，河水中時有水草，會對流速儀測速有一定的影響。

（2）、另一方面可以認(rèn)為ADCP、流速儀是完全兩種不同的兩種測驗方法，這兩種方法確實存在測驗結(jié)果上的差異，特別是隨著水位的升高和流量的增大，這兩種測驗結(jié)果差值進(jìn)一步增大。

鑒于目前流速儀測法數(shù)據(jù)每年都作為正式資料刊印，可以考慮將ADCP結(jié)果經(jīng)過改正換算得到與流速儀法結(jié)果一致的數(shù)據(jù)。

5、兩種方法數(shù)據(jù)結(jié)果存在相關(guān)關(guān)系

（1）建立水位與相對誤差關(guān)系，經(jīng)過點(diǎn)繪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者是直線關(guān)系。（如下圖2）

圖2:

（2）用該直線概化公式y(tǒng)=5.4126x-731.56（Y為相對誤差，X為水位），可計算求得直線概化相對誤差，對原有相對誤差相減得到改正后誤差。

表4ADCP法與流速儀法誤差修正

小結(jié)：由表4可以看出，ADCP法與流速儀法相對誤差與水位關(guān)系密切，按相對誤差與水位關(guān)系公式改正后ADCP法與流速儀法相對誤差很小，在-0.41%～+0.30%之間，且無系統(tǒng)偏離。于是認(rèn)為ADCP測驗結(jié)果數(shù)據(jù)QA可以通過公式換算為接近流速儀法的結(jié)果QA＇,以作測驗結(jié)果。

同樣，由于ADCP法與流速儀法相比，所有實測點(diǎn)據(jù)全部系統(tǒng)偏大，且偏大較多，無法直接應(yīng)用和進(jìn)行相對誤差以及隨機(jī)不確定度計算，故對ADCP法實測點(diǎn)據(jù)按照ADCP法與流速儀法的關(guān)系進(jìn)行改正后再作計算。

（二）ADCP實測點(diǎn)據(jù)相對誤差及隨機(jī)不確定度分析

1:ADCP實測點(diǎn)據(jù)的修正

改正公式的推導(dǎo)分析

表5 各水位級QA偏大數(shù)值占自身百分?jǐn)?shù)

建立水位與偏大百分?jǐn)?shù)關(guān)系線，經(jīng)點(diǎn)繪，亦為直線。

圖3:

由該圖根據(jù)水位與相對誤差關(guān)系，可得將QA修正為QA＇的公式：

QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]

式中，X為水位，QA為ADCP實測流量，QA＇為公式修正后流量。

2：誤差分析

根據(jù)公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]對ADCP實測流量點(diǎn)據(jù)進(jìn)行改正，計算其與同水位流速儀法線查流量的相對誤差，以及隨機(jī)不確定度。

表6 實測點(diǎn)據(jù)修正后與流速儀法相對誤差情況

由表6可知，30個數(shù)據(jù)中，相對誤差在±5%以內(nèi)的29個，其中負(fù)值13個，正值17個，相對誤差均值+0.1%。

根據(jù)公式X Q＇=2{[∑（（QA-QLC）/QLC）2]/(N-2)}1/2來計算隨機(jī)不確定度，式中X Q＇為置信水平為95%的隨機(jī)不確定度，QA表示ADCP實測流量（m3/s）；QLC表示與實測流量QA對應(yīng)的相應(yīng)水位在關(guān)系線上查得的流量，計算可知：置信水平為95%的隨機(jī)不確定度XQ＇為5.82。

從以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)精度完全符合有關(guān)規(guī)范要求。

五：結(jié)論

1、在2000m3/s--4220 m3/s流量段，ADCP測得結(jié)果比流速儀法結(jié)果相比系統(tǒng)偏大，且幅度較多，超出有關(guān)規(guī)范應(yīng)用要求，其結(jié)果無法直接應(yīng)用。

2、ADCP法與流速儀法測得結(jié)果差異具有規(guī)律性，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]可將ADCP測驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為與流速儀法一致的數(shù)據(jù)。

3、ADCP實測點(diǎn)據(jù)通過以上公式轉(zhuǎn)化后與流速儀法相比無系統(tǒng)偏離，測點(diǎn)相對誤差、測點(diǎn)95%置信水平的隨機(jī)不確定度均符合有關(guān)規(guī)范精度要求。

4、所以在2000m3/s--4220 m3/s流量段，利用ADCP剖面流速儀測驗時，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]對測驗結(jié)果進(jìn)行修正，即可滿足有關(guān)規(guī)范精度要求，作正式資料應(yīng)用。