聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)試驗(yàn)觀測(cè)及應(yīng)用初探.docx

1、監(jiān)測(cè)技術(shù)聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)試驗(yàn)觀測(cè)及應(yīng)用初探何華權(quán)(崇左市水文水資源局，廣西崇左532200)摘要以崇左水文站ADCP試驗(yàn)情況為例，介紹了ADCP的特點(diǎn):在正常情況下測(cè)驗(yàn)的效率較高.安全性比較可靠.但存在故障維修成本高、受含沙地影響比較明顯、易受水下外來(lái)電波干擾、推算實(shí)時(shí)流斌不穩(wěn)定等問(wèn)題。提出了ADCP測(cè)驗(yàn)工作中如何確保穩(wěn)定性、降低維護(hù)成本、提高效率的建議。關(guān)鍵詞ADCP；觀測(cè)試驗(yàn);纜道流速儀法；比測(cè)中圖分類號(hào)P335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)1003-1510(2013)04-0085-04收稿日期2013-05-02作者簡(jiǎn)介何華權(quán)(I975-),男(壯族)，廣西扶綏人，崇左市水文水

2、資源局工程師，主要從事水文水資源管理工作。1ADCP試驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)情況崇左站于2009年4月安裝了ADCP在線測(cè)流系統(tǒng)，2009年5月開(kāi)始運(yùn)行，并與纜道流速儀法進(jìn)行比測(cè)，其比測(cè)情況如下。1.1測(cè)站基本概況(1) 測(cè)驗(yàn)河段情況。左江由水口河、平而河自越南入境后在龍州縣城匯合而成，左江迂回東去，至上金，右岸有大支流明江匯入,至多懷，左岸有大支流黑水河匯入。左江河床切割深,坡降大，水流較急。左江上游年平均雨量分布狀況，自西北部的1500mm逐漸向東南遞減至1200mmo降雨特點(diǎn)是山地雨量多于丘陵河谷地區(qū)，降雨年內(nèi)分布很不均勻,65%的雨量集中在6-9月間。產(chǎn)生洪水的降雨天氣系統(tǒng)主要有低壓槽、低渦切變線

3、、地面靜止鋒以及臺(tái)風(fēng)等。左江發(fā)生較大洪水主要由臺(tái)風(fēng)造成，兩種天氣系統(tǒng)或兩個(gè)臺(tái)風(fēng)先后影響，形成登加過(guò)程,就會(huì)釀成左江流域特大洪水。(2) 水文特征。龍州水文站于1991年設(shè)立，位于左江的崇左市河段，集水面積26823km為國(guó)家重要報(bào)汛水文站點(diǎn)，觀測(cè)項(xiàng)目有：水位、流量、降水拭、水溫、岸溫、蒸發(fā)、測(cè)沙、水質(zhì)等。測(cè)驗(yàn)斷面上游20km處有左江電廠，由于受左江電站大壩攔蓄排水影響，崇左水文站斷面流態(tài)變化較大，水位流量關(guān)系很不穩(wěn)定。高水出現(xiàn)反繩套、半繩套等，低水點(diǎn)子散亂，出現(xiàn)多條臨時(shí)線,增加了資料整編分析的難度和工作星。歷年最高水位108.50m(85基準(zhǔn)，下同；1986年7月)、歷年最低水位82.85m(

4、1992年5月)，最近5年最高水位107.66m(2008年)、最低水位84.95m(2007年)。2定點(diǎn)式ADCP引進(jìn)安裝調(diào)試情況2.1任務(wù)由來(lái)左江電站蓄水發(fā)電后崇左水文站處于水庫(kù)下游，上游電站的調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響了水文站的水文預(yù)報(bào)、水文測(cè)驗(yàn)等正常工作，用傳統(tǒng)的流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)無(wú)法滿足控制流量的變化要求，為此2009年4月，廣西水文水資源局在崇左水文站安裝了聲學(xué)多普勒流速儀(AcousticDopplerCurrentProfilers,簡(jiǎn)稱ADCP),進(jìn)行實(shí)時(shí)在線流量監(jiān)測(cè)。2.2儀器設(shè)備基本情況及工作原理聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)是國(guó)際上最先進(jìn)的河流流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備之一，它測(cè)量時(shí)不受斷面

5、位置的影響，具有及時(shí)、準(zhǔn)確、可長(zhǎng)時(shí)間在線、無(wú)人值守、使用維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別適用于“水位-流量”關(guān)系不穩(wěn)定的斷面，如受上、下有水工建筑物影響、入?？诨爻焙佣蔚?。近年，在水文測(cè)驗(yàn)、水資源調(diào)查、水環(huán)境保護(hù)、航運(yùn)以及抗洪搶險(xiǎn)等行業(yè)和部門得到迅速而廣泛的運(yùn)用。在測(cè)量時(shí),ADCP的探頭向水體反射聲脈沖，當(dāng)確定ADCP波長(zhǎng)和幾何參數(shù)后，只要檢測(cè)出多普勒頻差，就可以確定運(yùn)動(dòng)速度。ADCP向水體發(fā)射聲脈沖，測(cè)出水體相對(duì)于ADCP的速度;ADCP同時(shí)還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖,測(cè)出ADCP相對(duì)于河底的運(yùn)行速度，然后計(jì)算出水流相對(duì)F河底的l'值速度。2.3儀器安裝調(diào)試崇左水文站使用的ADCP是安裝在河岸左岸

6、水位臺(tái)井壁L儀器高程為85.95m,保證了儀器處于正常最低水位下1.0m左右；儀器到RS232通信接口的電纜長(zhǎng)23m,換能器縱搖-0.34。£±0.5。，橫搖0.00±0.5°儀器聲束水平發(fā)射并垂直于斷面，水平剖面杜程達(dá)到9（）血.初次調(diào)試一切正常。截止到目前儀器運(yùn)行正常。ADCP匚作橫斷面圖如圖1所示：圖1ADCPT作橫斷面圖該儀器數(shù)據(jù)的收集有兩種:一是通過(guò)在電腦上安裝“Q-Monitor-11（流裝通）”軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集或顯示；二是通過(guò)在電腦上安裝“BBTalk”軟件進(jìn)行內(nèi)存卡讀取，該站ADCP收集數(shù)據(jù)為：PD0格式,單元范I札取25-55m,

7、單元數(shù)位100,單元長(zhǎng)度：100cm,平均H寸間：5min,采樣間隔100s,盲區(qū):100cm03定點(diǎn)式ADCP流速關(guān)系率定情況3.1率定目的把ADCP在線測(cè)流真正用到實(shí)處，建立ADCP指標(biāo)流速與流速儀實(shí)測(cè)流速的相關(guān)關(guān)系，用ACDP在線測(cè)流代替常規(guī)流速儀測(cè)流，改變流仙測(cè)驗(yàn)方式.解放測(cè)站勞動(dòng)力，提高水文科技含ht,提高丁.作效率.把水文流域測(cè)驗(yàn)作推向新的臺(tái)階。3.2率定方法、誤差率定的方法有兩種：一是應(yīng)用“定線通”軟件,把流速儀實(shí)測(cè)的流ht、水位及與其相對(duì)應(yīng)的ADCP平均指標(biāo)流速輸進(jìn)軟件，標(biāo)定出一系列回歸方程的相關(guān)常數(shù),然后進(jìn)行分析選出最合適回歸方程并進(jìn)行分析計(jì)算。二是借助“Office”辦公軟

8、件,進(jìn)行一系列的分析計(jì)算，本次分析采用第-種方法進(jìn)行率定。3.2.1分析及計(jì)算在ADCP收集到的數(shù)據(jù)中找出與流速儀實(shí)測(cè)相對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步可靠性分析，比測(cè)數(shù)據(jù)選用rADCP回波強(qiáng)度比較好的25-55m單元范圍,進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)用“定線通”進(jìn)行初步計(jì)算分析,其中有5個(gè)突出點(diǎn),原因：ADCP設(shè)備接受出現(xiàn)故障。另外，部洪水水位達(dá)到98.00m時(shí)，由于含沙量太大.無(wú)法測(cè)到指定單元范圍。相關(guān)示圖見(jiàn)圖2、圖3、圖4。b>0.0945V=b,Wb*bt-0.7996b,=-0.03520.61.01.41.8V.V,V4|V.V,VJV-V,V,V,IRe.ldvlDi.|Q*sH|

9、AvsH|圖2實(shí)測(cè)流速與指標(biāo)流速關(guān)系圖圖3含沙量太大時(shí)的流量回波長(zhǎng)度縱面圖2538516擊離,790lb3】、6】29|圖4受電波干擾的流速回波長(zhǎng)度縱面圖在此用50份ADCP數(shù)據(jù),通過(guò)“定線通”進(jìn)行率定，得出r6組回歸式的相關(guān)參數(shù)（表中“不確定度”為參考值，正確值應(yīng)為兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值），如表1:從表1可知“一元二次多項(xiàng)式”和“復(fù)合線性”回歸方程均可適用，但“復(fù)構(gòu)性”回歸方程率定后的參數(shù)過(guò)于復(fù)雜，因此,選擇一元二次多項(xiàng)式的參數(shù)作為本次率定的結(jié)果，即Nm=0.0945+0.7996協(xié)-0.03526組回歸線式的相關(guān)參數(shù)定線公式相關(guān)系數(shù)系數(shù)岫偏差標(biāo)準(zhǔn)差線性10.9864616.334149.9137

10、0.03510.0605線性20.99741-1.843322.37000.00000.0307一元多次項(xiàng)式0.99774-0.671119.91250.00000.0288馨函數(shù)0.97705-1.713537.49020.02310.0880復(fù)合線性0.99782-0.679119.78190.00060.0282二元線性0.99761-1.247620.77970.00000.0296式中：Vm率定后的流速；Vi指標(biāo)流速。3.2.2檢驗(yàn)及誤差用流速儀實(shí)測(cè)流速即丫同儀及率定后的流速即Vm進(jìn)行定相關(guān)曲線并檢驗(yàn)及誤差計(jì)算(見(jiàn)圖5),從圖5可知它們的相關(guān)性很好。本次率定的Um與Vi的標(biāo)準(zhǔn)差為0.

11、0288,不確定度為0.0576,系統(tǒng)誤差為-0.671%,在SL3372006(聲學(xué)多普勒測(cè)驗(yàn)規(guī)范中要求：當(dāng)流速比測(cè)結(jié)果的相對(duì)系統(tǒng)誤差在±1%以內(nèi)，且不確定度不超過(guò)±3成寸，流速比測(cè)合格。圖5流速儀實(shí)測(cè)流速與率定后的流速關(guān)系圖根據(jù)標(biāo)定出來(lái)的K換算為Qm,并與實(shí)測(cè)流量Q歡儀進(jìn)行三大檢驗(yàn)分析,三大檢驗(yàn)合格，說(shuō)明經(jīng)過(guò)率定后換算得出的流量與流速儀實(shí)測(cè)流量之間的偏離、誤差等相關(guān)性在允許范圍內(nèi)。本次比測(cè)成果符合河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范(GB5017993)X水文資料整編規(guī)范(SL2471999),聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范SL337-2006,比測(cè)成果合格。3.2.3率定資料質(zhì)量總體評(píng)定2011

12、-2012年間，流速儀與ADCP比測(cè)資料55份,其中經(jīng)過(guò)分析有5份由于ADCP儀器不水平、其他干擾等導(dǎo)致回波強(qiáng)度異常，資料失真，故不參與率定。在進(jìn)行流速三種檢驗(yàn)時(shí)，有11分比測(cè)資料因計(jì)算面積的誤差,導(dǎo)致點(diǎn)子偏離不參與檢驗(yàn)。根據(jù)本次比測(cè)結(jié)果，該ADCP在線測(cè)流系統(tǒng)本次率定結(jié)果的使用范圍為:98.00m以下水位級(jí)，所收集到的數(shù)據(jù)是完全可靠的，完全滿足規(guī)范要求，可以參加資料整編。4存在的問(wèn)題(1) 受含沙量影響比較明顯，當(dāng)水位高于98.00m時(shí)，因水底含沙量較大，儀器只能發(fā)射到50m(如圖3),所以當(dāng)水位在98.00m以上時(shí)，應(yīng)升高儀器,考慮重新收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析率定。(2) 儀器容易受到電魚(yú)船等電波

13、的干擾，回波強(qiáng)度的紅綠線不一致,使所收集的資料失真(見(jiàn)圖4)。(3) ADCP所測(cè)得的流速比較準(zhǔn)確，但是在系統(tǒng)推算實(shí)時(shí)流量時(shí)存在不穩(wěn)定性，特別是洪水時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)是通過(guò)儀器本身自帶的超聲波水位器得到水位來(lái)推算面積的，而該水位器容易受到雜物的覆蓋而影響水位變化，使實(shí)時(shí)流量不真實(shí)(目前，崇左市水文局已經(jīng)購(gòu)買水位分路器，解決了此問(wèn)題)。(4) 分析計(jì)算誤差。分析資料時(shí)，在考慮回波強(qiáng)度紅綠線的一致性方面，由于視覺(jué)的影響而產(chǎn)生誤差;決定單元范圍的截取及是否剔除某些突出指標(biāo)流速時(shí),因可變更性比較大而產(chǎn)生誤差等。(5) 設(shè)備及線路安裝協(xié)調(diào)要求精細(xì)，水位臺(tái)與值班室距離較遠(yuǎn)，線路易受外界影響。(6) 受雷電及供電

14、不正常等因素影響，容易出故障，零配件損壞維修費(fèi)用大。5結(jié)語(yǔ)水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化建設(shè)不僅要做好設(shè)施設(shè)備的更新改造，配備先進(jìn)的儀器，而且必須做好分析研究，提高管理人員的實(shí)際應(yīng)用技能,充分體現(xiàn)現(xiàn)代化儀器的作用。(1) 加強(qiáng)對(duì)ADCP的應(yīng)用技巧研究與二次開(kāi)發(fā)的方向和重點(diǎn)的探索。(2) 加強(qiáng)各種儀器設(shè)備測(cè)驗(yàn)效果對(duì)比資料的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，認(rèn)真會(huì)商解決。(3) 加強(qiáng)管理人員培訓(xùn)，重點(diǎn)做好儀器設(shè)備的應(yīng)用與維護(hù)培訓(xùn),為實(shí)際推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)保證。(4) 加強(qiáng)對(duì)水位、含沙量出現(xiàn)特殊情況下測(cè)驗(yàn)效果變化規(guī)律的分析研究.提高測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。(5) 加強(qiáng)儀器設(shè)備使用的安全保障，做好管線設(shè)施保護(hù)以及防雷、防震、防干擾等基礎(chǔ)

15、工作。(責(zé)任編輯：劉征湛)ObservationtestandapplicationofADCPHEHua-quan(HydrologyandWaterResourcesBureauofChongzuoCity,Chongzuo532200,China)Abstract：TakingADCPtestsconductedatChongzuohydrologicalstationasexample,anintnxluctionwasmadeonthecharacteristicsofADCP,includingrelativelyhighefficiencyundernormalcondition

16、s,safetyandreliability,highrepairingcost,significantlyinfluencedbysedimentconcentration,liabletobeinterferedbyunderwaterforeignradiowave,unstableincalculatingreal-timecurrent.Suggestionswereputforwardtoensurestability,reducemaintenancecostandimproveefficiency.Keywords：AcousticDopplerCurrentProfiler(

17、ADCP);observationtest;cablewayvelocityinstrumentmethod;comparativemeasurement(上接第84頁(yè))DiscussiononnewtechnologyofhydrologicalstationbenchmarkelevationsurveybasedonCORSsystemWENRun-feng(GuangxiHydrologyandWaterKesourcesBureau,Nanning530023,China)Abstract：Anintroductionwasmadeontheheightanomaly,solutionprincipleandCORSsystemtechnologyofCPSmeasurement.ItisproposedtoapplyGPSreceiverbasedonCORSsystemtomeasuregeodeticheight,acquirenormalheightbyregionalquasi-geoidrefinedmodelcorrection.Combinedwiththe