陳宏乾，石 令

（長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401120）

引言

三峽工程175 m（吳淞高程）蓄水運(yùn)行后，長(zhǎng)江上游涪陵至婁溪溝河段成為變動(dòng)回水區(qū)。該河段屬典型的山區(qū)河流，航道具有“彎、淺、險(xiǎn)、窄、急”的典型特征，水流比較紊亂，岸邊石嘴、石梁眾多大小礁石常見，地形十分復(fù)雜。隨著三峽樞紐蓄水、消落的水位調(diào)節(jié)影響，河床在蓄水期因水流變緩，逐漸淤積，在消落期因水流流速增大，對(duì)河床造成沖刷，庫區(qū)水位變化對(duì)河床地形影響較大。銅鑼?shí){水文測(cè)量項(xiàng)目位于水流條件及河床地形十分復(fù)雜的變動(dòng)回水區(qū)，其流量測(cè)驗(yàn)包括三個(gè)測(cè)次（枯水、中水、洪水），為了方便數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，采用固定斷面及測(cè)速垂線點(diǎn)測(cè)流。在復(fù)雜的水流環(huán)境下，提高走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)精度是本項(xiàng)目工作難點(diǎn)。

1 影響ADCP流量測(cè)驗(yàn)精度的因素

1）儀器本身的系統(tǒng)誤差、儀器標(biāo)稱參數(shù)與測(cè)區(qū)情況不匹配等。

2）水流條件及河床地形環(huán)境。

3）人為誤差：如儀器按裝不正確；斷面布置不合理；參數(shù)設(shè)置不正確；測(cè)船航速不穩(wěn)定；數(shù)據(jù)處理不合理；水深測(cè)量誤差等。

2 儀器合理選擇與正確安裝

2.1 選擇合適頻率的測(cè)量設(shè)備

1）斷面水深測(cè)量：采用雙頻GPS接收機(jī)結(jié)合HY1600型單頻測(cè)深儀。

2）斷面流量測(cè)驗(yàn)：流速測(cè)驗(yàn)采用瑞江600 kHz型聲學(xué)多普勒流速剖面儀。

圖1 聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）

2.2 正確安裝ADCP設(shè)備

根據(jù)以往測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，安裝ADCP是否正確直接影響測(cè)量的精度和質(zhì)量。ADCP用支架牢固安裝在測(cè)量船弦的右側(cè)且離測(cè)船的距離大于0.5 m為宜，并呈自然垂直狀態(tài)，3#標(biāo)識(shí)箭頭平行船體軸線。根據(jù)測(cè)船吃水、航速、流速等因素綜合考慮設(shè)置測(cè)流儀的吃水為0.5 m。

圖2 ADCP安裝

3 提高流量測(cè)驗(yàn)精度方法

3.1 布設(shè)測(cè)流斷面

根據(jù)收集測(cè)區(qū)以往不同水位的水下地形、表面流速流向、航跡線等資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，進(jìn)行綜合分析布置測(cè)流斷面。測(cè)流斷面應(yīng)避開叢生水草、回流、斜流、死水、江中獨(dú)石等不利影響，要考慮不同水位觀測(cè)時(shí)設(shè)備的安全。測(cè)流斷面應(yīng)盡量選在水流平緩、水面寬闊、無淺灘的順直河段。

3.2 正確設(shè)置測(cè)流軟件參數(shù)

合理設(shè)置層厚（WS）和層數(shù)（WN）利于提高流量測(cè)驗(yàn)的精度。層厚越小垂線上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，即流速分辨率越高，越接近實(shí)際流速值，可以使表層、底層的盲區(qū)相對(duì)減小。實(shí)測(cè)范圍相對(duì)增加，提高了測(cè)量精度，但是在水深不變的情況下，層厚越小層數(shù)就越多，采集的數(shù)據(jù)就越多，數(shù)據(jù)傳輸就變慢，會(huì)降低測(cè)流斷面上剖面總數(shù)，導(dǎo)致流速剖面橫向分辨率下降。如銅鑼?shí){DM9斷面最大水深67 m、平均水深42 m，結(jié)合儀器參數(shù)綜合分析確定層厚（WS）設(shè)置100 cm，層數(shù)（WN）設(shè)置80層比較合理。

3.3 減小斷面水深測(cè)量誤差

變動(dòng)回水區(qū)含沙量高，用單頻測(cè)深儀施測(cè)斷面水深，有效地解決ADCP不能正?！暗赘櫋钡乃钍д鎲栴}。斷面水深測(cè)量的精度直接影響河道過水?dāng)嗝娴拿娣e，因此減小斷面水深測(cè)量誤差擾為重要。

減小斷面水深測(cè)量誤差：

1）換能器安裝和GPS流動(dòng)站安裝位置要保證定位中心與測(cè)深中心一致性。

2）在進(jìn)行水深測(cè)量前、后，要對(duì)換能器吃水、測(cè)深儀配置參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)校正。換能器吃水采用鋼卷尺直接量取水面至換能器底部距離的方式。測(cè)深儀校正選取在靜水區(qū)，先用溫度計(jì)量測(cè)水溫，然后用聲速剖面儀量取當(dāng)天本河段有代表性的水中聲速，并把聲速值等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入測(cè)深儀中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。水深測(cè)量正式開始前還要通過用桿測(cè)的方式對(duì)測(cè)深儀水深進(jìn)行比對(duì)檢查，并做好比測(cè)記錄，確認(rèn)精度滿足要求后才開始觀測(cè)。

3）測(cè)點(diǎn)間距不大于實(shí)地5 m，斷面地形特征位置適當(dāng)加密。

4）測(cè)量過程中保證流動(dòng)站定位模式處于固定解模式，當(dāng)RTK定位模式為浮點(diǎn)解或單點(diǎn)定位時(shí)，則停止作業(yè)，重新初始化GPS接收機(jī)。

圖3 聲速剖面儀mini SVP測(cè)量聲速

3.4 規(guī)范ADCP測(cè)量過程

1）控制測(cè)船船速：ADCP儀器參數(shù)設(shè)置后，測(cè)船橫渡的速度直接影響ADCP流量測(cè)驗(yàn)的精度，當(dāng)流速相同的條件下，水越深儀器接收的反射信號(hào)越慢。當(dāng)船速過快時(shí)往往接收的數(shù)據(jù)不全，影響到流速分辨率。會(huì)增大盲區(qū)面積，甚至造成數(shù)據(jù)不連續(xù)。因此測(cè)船在施測(cè)過程中，測(cè)船始終保持慢車且盡量保持勻速運(yùn)動(dòng)，若條件允許船速接近或略小于水流速度為宜。在確?；夭ㄐ盘?hào)質(zhì)量良好和各種噪聲水平較低的前提下，最大船速可按下式計(jì)算：

式中：

ν為最大船速；

θ為沿測(cè)船行進(jìn)方向波束角(°)；

Hm為測(cè)區(qū)某一測(cè)段的最淺水深(m)；一般調(diào)查作業(yè)，且水深變化較小時(shí)刻使用測(cè)區(qū)平均水深；

n為多波束每秒的采樣數(shù)。

2）每次施測(cè)均從左岸→右岸、右岸→左岸，施測(cè)兩個(gè)來回，取所測(cè)斷面流量的平均值作為實(shí)測(cè)流量值，并對(duì)施測(cè)時(shí)間及斷面流量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄。

3）兩岸測(cè)至ADCP盲區(qū)水深處，以提高測(cè)量精度。在開始記錄和結(jié)速記錄之前要盡量保持測(cè)船一定時(shí)間內(nèi)（15 s）基本穩(wěn)定在一個(gè)位置上，盡量少漂移，這樣有利于測(cè)量岸邊的距離及采集岸邊區(qū)域有代表性的流速。

4）當(dāng)測(cè)船在GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航下到達(dá)測(cè)速垂線點(diǎn)區(qū)域后，測(cè)船保持船位相對(duì)不動(dòng)，此時(shí)ADCP開始實(shí)施垂線流速和流向觀測(cè)，采集數(shù)據(jù)不少于30組，取其平均值作為垂線實(shí)測(cè)流速流向值。

3.5 測(cè)速垂線加密處理

根據(jù)河道的寬度、水深、流態(tài)等綜合考慮布設(shè)測(cè)速垂線。測(cè)速垂線應(yīng)能控制地形和反映斷面流速橫向分布狀態(tài)，大致均勻布設(shè)，主流區(qū)域比邊灘密集，其位置應(yīng)盡可能固定，以便于測(cè)流成果的比較，了解斷面沖淤與流速變化情況，在水深或流速最大的位置要布設(shè)垂線，測(cè)流斷面上最少垂線數(shù)目根據(jù)河面寬度而定，一般規(guī)定如表1。

表1 測(cè)流斷面垂線數(shù)

注：河口地區(qū)可適當(dāng)放寬。

水位漲落或河岸沖淤，使靠岸邊的垂線離岸邊距離太遠(yuǎn)或流態(tài)變化較大的地方（流水與回水、死水分界線處）適當(dāng)增加垂線點(diǎn)。詳細(xì)區(qū)分死（回）水面積，有利于提高流量測(cè)驗(yàn)精度。垂線點(diǎn)加密位置如圖4。

圖4 垂線點(diǎn)加密

3.6 利用流向偏角改正流速

在走航式測(cè)流過程中會(huì)遇到斜流，特別是有枯水、中水、洪水測(cè)次的固定斷面，由于水位不同流向相差特別大，斜流不可避免。利用流向偏角改正流速，可以解決斜流問題，是提高ADCP在變動(dòng)回水區(qū)的流量測(cè)驗(yàn)精度常用方法之一。表2為距離七點(diǎn)73 m處水深21.7 m的改正流速值。

圖5 垂線有斜流

表2 用流向偏角改正流速

3.7 頂層、底層盲區(qū)處理及閉塞差控制

施測(cè)中對(duì)于ADCP頂層、底層盲區(qū)的處理采用冪指數(shù)法進(jìn)行估算，冪指數(shù)均采用0.1667（經(jīng)驗(yàn)值，適用于大部分河流），對(duì)于岸邊流量的估算則根據(jù)實(shí)測(cè)的大斷面圖形分別采用0.5～0.9系數(shù)進(jìn)行處理。測(cè)流斷面流量閉塞差控制在5 %以內(nèi)，按下式計(jì)算：

單一河段：

分汊河段：

式中：

δ為流量閉塞相對(duì)誤差（用%表示）；mQ為單一河段，首尾控制斷面流量的平均值（3m/s）；

Qi為單一河段，第i個(gè)斷面的流量（m3/s）；

Qmn為分汊前或匯合后干流控制斷面的流量（m3/s）；

ΣQt為各汊道進(jìn)口或出口控制斷面流量的總和（m3/s）。

4 精度比對(duì)

三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)銅鑼?shí){水文觀測(cè)項(xiàng)目ADCP流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)與同時(shí)間段寸灘水文站（銅鑼?shí){下游8 km且中間無支流）的預(yù)報(bào)流量相敏合。經(jīng)計(jì)算DM10、DM9、DM8的實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量較差分別為1.47 %、-1.22 %、-0.40 %（均小于5 %），說明測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。精度比對(duì)結(jié)果表明：以上提高ADCP在三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)的流量測(cè)驗(yàn)的方法是可行的。

表3 銅鑼?shí){與寸灘流量對(duì)比

5 結(jié)語

走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)仍然是一項(xiàng)較新的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在信號(hào)處理技術(shù)上由窄帶ADCP發(fā)展為寬帶ADCP，外觀上將向輕巧、精密、智能化、多用途方向發(fā)展，ADCP儀器本身測(cè)量精度也不斷提高。

通過以上的方法，提高ADCP在三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)的流量測(cè)驗(yàn)精度取得了一定的效果，積累了經(jīng)驗(yàn)，但是影響ADCP測(cè)量精度因素較多（儀器誤差、水位變化、過往船只影響、泥沙含量相差較大等），在以后的流量測(cè)驗(yàn)過程中，還要根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用。