鄭 凱，賀俊華

（黃委中游水文水資源局，山西晉中030600）

1 測站基本情況

河曲水文站位于山西省忻州市河曲縣文筆鎮(zhèn)鐵果門村，為國家重要水文站，龍口水庫出庫站，天橋水庫入庫站，黃河水情報(bào)汛站，二類精度流量、泥沙站，全年駐測站。建站以來最大流量為5120m3/s，相應(yīng)水位為849.92m，調(diào)查最高水位為852.44m，相應(yīng)流量為8740m3/s。洪水主要來源于黃河干流，受上游龍口水庫調(diào)節(jié)，漲落變化急劇，含沙量較小。測站日常測驗(yàn)以流速儀多線多點(diǎn)法為主。

2 ADCP簡介

聲學(xué)多普勒流速剖面儀簡稱ADCP（Acoustic DopplerCurrentProfilers），是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種測流設(shè)備。ADCP能直接測出斷面的流速剖面，具有不擾動(dòng)流場、測速范圍大、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，早期被用于海洋水文觀測，目前已應(yīng)用在河道流速和流量測驗(yàn)等。該站比測試驗(yàn)采用了美國TRDI生產(chǎn)的相控陣ADCP+GPS底跟蹤。

ADCP是利用多普勒效應(yīng)為基本原理進(jìn)行流速測量或流量測驗(yàn)的。儀器主機(jī)控制換能器向水下發(fā)射聲波，聲波被水體中的泥沙顆粒、浮游生物等散射體散射，返回的部分能量由換能器接收，經(jīng)過電路處理聲信號(hào)變成電信號(hào)，再經(jīng)運(yùn)算處理多普勒頻移而測算出流速。

河道流量測驗(yàn)使用的ADCP一般設(shè)計(jì)、安裝有4個(gè)（或3個(gè)）以上聲換能器并與ADCP軸線成一定夾角。每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器并對(duì)應(yīng)于1個(gè)聲束方向。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波。

假定水體中顆粒物與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向是接近換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率高。當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向是遠(yuǎn)離換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率低。聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差，如下式：

式中：V——是顆粒物沿聲方向的移動(dòng)速度，m/s；Fd，F(xiàn)0——分別是聲學(xué)多普勒頻移、發(fā)射頻率，Hz；C——是聲波在水中傳播速度，m/s。

ADCP的每個(gè)換能器軸線即為一個(gè)聲束坐標(biāo)。每個(gè)換能器測量的流速是水流沿其聲束方向的速度分量。至少3個(gè)換能器軸線即可組成獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)系。

ADCP自身定義有三維直角坐標(biāo)系X-Y-Z。其中Z方向與ADCP軸線方向一致。ADCP首先測出沿每一聲束坐標(biāo)的流速，然后經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為X-Y-Z坐標(biāo)系下的三維流速，再利用電子羅盤和傾斜計(jì)提供的方向和傾斜數(shù)據(jù)改正，將X-Y-Z坐標(biāo)下的流速轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系下的三維流速。

3 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

河曲水文站處于龍口水庫下游，區(qū)間僅有一條支流匯入，除調(diào)水調(diào)沙期間外，水流平穩(wěn)，無漂浮物影響，斷面含沙量較小，主槽為卵石河床，斷面基本穩(wěn)定，這些都為ADCP測驗(yàn)提供了有利的條件。

通過比測試驗(yàn)，探究ADCP在該站的試用條件，達(dá)到提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，確保測驗(yàn)人員安全的目的。

4 試驗(yàn)情況

該站共進(jìn)行了34次比測試驗(yàn)，取得比測數(shù)據(jù)32組，第17次因含沙量大（40kg/m3），無法取得數(shù)據(jù)，第18次因儀器故障無法取得數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1 比測數(shù)據(jù)成果表

5 比測試驗(yàn)資料分析與成果評(píng)價(jià)

ADCP比測試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)分析，按照GB 50179-2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行：

1）比測宜在水流相對(duì)平穩(wěn)時(shí)進(jìn)行，并應(yīng)在高中低水不同水位（或流量）級(jí)下均勻分布測次。

2）比測有效次數(shù)不應(yīng)少于30次。

3）比測隨機(jī)不確定度不應(yīng)超過6%，比測條件較差的不應(yīng)超過7%。系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%，條件較差的不應(yīng)超過±2%。

隨機(jī)不確定度按照GB50179-2015取置信水平95%進(jìn)行估算，因測量系列樣本容量大于30，故取2倍相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為隨機(jī)不確定度。

從表1可以看出，水位變幅區(qū)間為［-0.07m，0.08m］，水情基本平穩(wěn)，其中漲水10次，平水9次，落水13次，漲落水及平水均分布有測次，分布基本均勻；相應(yīng)水位變化區(qū)間為［844.06m，849.06 m］，在這個(gè)區(qū)間的各級(jí)水位均分布有測次，且分布均勻，具體測次分布見表2。

表2 測次分布情況表 m

通過誤差計(jì)算，系統(tǒng)誤差為0.009%，置信水平95%的隨機(jī)不確定度為6.4%，符合規(guī)范要求。

6 結(jié)論與建議

該站測驗(yàn)設(shè)施以吊箱為主，由吊箱牽引ADCP，可使ADCP在河段內(nèi)勻速前進(jìn)，且能始終保持船速小于流速；吊箱配套有起點(diǎn)距計(jì)數(shù)裝置，只要讀出左右水邊起點(diǎn)距及ADCP下放位置的起點(diǎn)距，即可準(zhǔn)確計(jì)算出左右岸距水邊距離，避免了目測水邊距的盲目性與隨機(jī)性，提高了測驗(yàn)精度。另外，ADCP只需在測流開始和終了時(shí)位于斷面線上，運(yùn)行過程中無需控制其位置，比傳統(tǒng)的測流方式減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，若對(duì)吊箱加以改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)吊箱自動(dòng)化測流。站上平常的流速儀測驗(yàn)需1個(gè)多小時(shí)，ADCP測流的平均時(shí)間為35min，測流時(shí)間縮短一半，提高了工作效率，因測流時(shí)間的縮短，所測時(shí)段平均流量更能代表期間某一時(shí)刻的瞬時(shí)流量，使得流量與相應(yīng)水位更具代表性，更符合測驗(yàn)河段的實(shí)際情況。