冯克兰

（湖南省岳阳水文水资源勘测中心,湖南 岳阳 414000）

0 引言

流量测验是水文监测的重要组成部分，通过流量测验能够得到水位和流量的关系，从而按照水位情况来判定流量状态。而ADCP是近些年发展的重要流量测验的重要设备，可以应用在多个领域，例如海洋流场结构、水文领域等。通过ADCP的有效应用能够提升流量测验的自动化水平，提升工作效率。但是采用ADCP进行流量测验时若是受到流沙河床、磁场等影响很难确保准确性，所以需要进行相应的误差控制。

1 ADCP流量测验基本原理以及方法

1.1 ADCP流量测验基本原理

随着声源的逐渐接近，检测到的声调不断增加，反之在声源远离时声调和速度会成正比降低。发射声波频率和回波频率之差为：

其中：Fd表示为声学多普勒频移；F表示发射波频率；V表示物体顺着声束方向的移动速度；C表示声波在水中的传播速度。

每一个换能器轴线可以表示为一个声束坐标，3 个换能器轴线就可形成一组空间声束坐标系。首先，ADCP会测出每一声束坐标的流速分量，之后通过声束坐标和ADCP的直角坐标系（X-Y-Z）实施转换形成X-Y-Z坐标系的三维流速，最后通过罗盘以及倾斜计所得数据将X-Y-Z坐标系下的流速转换成为地球坐标系下的流速。

1.2 ADCP流量测验方法

在进行断面测量过程中，ADCP可以测出断面中部区域流速，也可以称之为实测区。除此之外，还存在4个无法有效测量数据的非实测区。对于非实测区的表层或者底层来说，ADCP一般会通过流速剖面法对表层或者底层流速流量实施推算，可以通过经验法对岸边的区域实施估算。一般按照岸边区域底坡情况以岸边流速系数计算岸边区域平均流速以及流量。

从原理上来看，ADCP流量测验和传统方式是相同的，都是在测流断面上设置多条测速垂线，在每条垂线位置测量水深以及多点流速，进行相应计算后能够得到垂线平均流速。但两者之间存在一定差异：

1）相对于传统流量测验方法来说，通过ADCP流量测验所测得的测速垂线相对较多，每一条垂线测速点也较多；

2）传统流量测验方法所用仪器都固定到所测垂线上实施测量，属于静态测量。而ADCP会随着测船运动进行测量，属于动态测量；

3）传统流量测验方法需要断面垂直水流方向，而ADCP方法对测流断面没有要求，测船航行轨迹可以为斜线、可以为曲线[1]。

2 ADCP流量测验误差来源分析

（1）河底推移质运动对于测船航行速度具有严重影响。在水流速度较快的情况下，河底部泥沙受到水流冲击而形成推移质运行，此种情况下会严重影响ADCP所测船的航行速度，所测得的水层流速要小于实际流速，造成流向偏差。

（2）高含沙水流会增强声波能量的反射以及吸收，距离换能器相对较近的区域回波强度相对较大，距离换能器较远的区域回波强度会下降到本底噪音，从而造成ADCP剖面深度的减小。高含沙水流会造成ADCP底跟踪和水深测量误差增加直到失效。

（3）在进行流量测验时所选不同深度单元尺寸会严重影响测量内容，包括：水层流速测量精度、流速测量垂直分辨率、剖面深度等等。在单元尺寸较小的情况下，流速测量垂向分辨率较高，能够测量的范围较大，但是所测内容精度相对较低，同时会造成剖面深度的下降。在单元尺寸较大的情况下，表层未测区厚度会增加，同时流速测量精度以及单元尺寸关系呈现出了阶跃函数形式。

（4）通过不同的脉冲数据输出能够影响到流速以及流量的测量精度。单脉冲数据输出会造成ADCP单位时间内脉冲采样速率以及采样个数的下降，从而影响到流速以及流量的精度。另外，多脉冲数据输出会降低数据处理以及计算次数和时间，从而提升脉冲发射的数量。

（5）在进行流量测验过程中，对于ADCP非实测区的表层或者底层来说，在可以通过指数公式表示明渠均匀流速垂直方向分布的情况下，可以利用指数流速剖面法实施平均流速的估算[2]。

3 ADCP流量测验误差控制分析

（1）在进行河底推移质运行所造成误差控制时，需要降低ADCP的频率。受推移质运动的影响，水体中含沙量会有较大提升，而低频系统的声波具有较强的穿透能力，能够通过降低跟踪脉冲长度来降低甚至消除因为推移质运动所造成的测量误差。若是通过上述措施无法进行有效的误差控制，可通过高精度GPS以及罗径测量船速，一定要要确保差分GPS精度达到亚米级精度，及ADCP外部罗盘要实施精确的标定，同时也要对地磁偏角进行精确测定。除此之外，要确保测船的航速小于或等于河流的平均流速。

（2）在对高含沙水流所造成的测量误差控制时，因ADCP高含沙水流中无法正常实施底跟踪以及水深测量，需通过差分GPS进行船速的测量，同时采用回声测深仪实施水深测量。

（3）在对不同深度单元尺寸所造成的测量进行误差控制时，在水较深的情况下要采用较大的单元，在水较浅的情况下要采用较小的单元，从而提升实测的范围，也能够增加垂向有效单元数目。

（4）在对不同脉冲数据输出所造成的测量误差控制时，要尽可能采用多脉冲数据输出的方式。由于流速以及流量的测量精度和脉冲采样速率平方根成正比，单脉冲数据输出比多脉冲平均数据输出流速和流量测量精度降低大约5/7 倍～10/17 倍。

（5）在对ADCP非实测区表层或者底层流量计量误差控制时，需要通过多次比侧率定指数，要确保不同断面指数分别率定[3]。

4 具体案例分析

（1）采取上述流量测验误差控制措施后，某站在2018年3月到9月半年期间，通过普通的流速仪以及RDI600kHz的走航式ADCP分别实施了流量比测，具体情况见表1。

表1 流速比测内容

有效的断面流量比测达到了40 次，进行误差分析以及统计的ADCP成果所得相对标准误差为1.15%，系统误差达到了1.71%。

通过ADCP的BTM、GGA模式流速分别和流速仪流速实施误差统计可知，在BTM模式下相对标准差达到了15.62%，系统误差达到了-12.28%，在GGA模式下相对标准差达到了7.86%，系统误差达到了-0.7%。但是随着流量的增加，在BTM模式下所测得的流速越发偏小，误差也随之增加；通过ADCP的BTM、GGA模式和流速仪法垂线平均流速单独实施误差统计可知，垂线平均流速比测误差和测点流速误差大体上相同，在BTM模式下相对标准差达到了12.7%，系统误差达到了-11.18%，在GGA模式下相对标准差达到了3.23%，系统误差达到了-0.3%。之所以造成BTM模式下误差超限，主要是由于底跟踪失效的缘故。

（1）通过ADCP采用底跟踪方式实施断面流量测验，测验误差以及相应精度都满足《城市水文监测与评价分析技术导则》（SL/Z 572-2014）规范的要求[4]。

5 结语

综上，在利用ADCP实施断面流量测验时所测部位都是断面中部，所以此区域也可称之为ADCP的实测区。水文监测中ADCP流量测验具有测量便利、快捷的特点，可以进行实时监测。但是在水深不足、周边存在磁场、河床为流沙的情况下测量精度就会受到较大影响。本文主要分析了ADCP流量测验误差的影响因素，在此基础上提出了ADCP流量测验误差控制针对性的措施。以期对水文监测中ADCP流量测验误差控制提供一定参考和帮助。