溪口站声学多普勒应用与研究分析
1 流域概况 2 测验背景及内容
溪口站由于受上下游电站蓄水发电影响，天然河道特性已经被改变，中高洪水位以下水位、流量关系复杂且变化剧烈，传统的缆道流速仪流量测验由于历时长、低流速时敏感度低等原因致使精度有所下降，同时也存在着操作不便、处理繁琐等缺点。为了获得准确及时的水文数据，现用RDI-600KHz走航式ADCP用于流量测验。为检验该仪器在各种水流情况下的测验精度，将其与缆道测流方法、收集不同水流条件下的流量资料进行比测资料分析。 3 比测概况 4 比测成果分析 4.1 水位代表性分析 经分析计算，走航式ADCP与流速仪测得的流量相对误差较小。相对误差≤±5%的合格率为70.0%，相对误差≤±8%的合格率为93.3%；最大相对误差为9.27%<10%，系统误差仅为0.34%<1%，精度满足相关规范要求（详见表1）。 根据以下公式来计算随机不确定度。 XQ=2{[∑（（QI-QCI）/QCI）2]/(N-2)}1/2 式中：QI表示ADCP第I次实测流量（m3/s）； QCI表示关系曲线上实测流量相对应的流量（m3/s）； N表示对比测点数，流速仪对比时N=30； 经计算，与流速仪对比时，置信水平为95%的随机不确定度XQ=9.5%<10%，符合规范要求。 由于溪口站受上游3km处青溪电站发电调节的影响，水位变化频繁，而流速仪施测一份流量需要约60分钟，ADCP施测一次流量则仅需5分钟左右，施测一份流量也只须20分钟左右。在与流速仪等历时对比测验时，ADCP施测4次，且误差≤±5%，特别是在涨水或退水情况下，流速仪与ADCP测得的结果就相差较大。因此，在流量对比测验中，出现流速仪实测值偏小或偏大，以及ADCP偏大或偏小这种现象都是正常的。尤其是在流量变化大时，两者更容易出现有较大的差值，出现突出点子，造成相对误差≤±5%的合格率不高，随机不确定度接近极限的情况。 4误差分析 4.1误差来源 ADCP流量测量精度是以水文测验常规流速仪法测验成果近似“真值”的对比精度。不考虑流速仪的测验误差，ADCP流量测验的误差来源，主要包括以下内容： 1、船速测量误差； 2、仪器安装偏角产生的误差； 3、流速脉动引起的流速测量误差； 4、水位、水深、水边距离测量误差； 5、采用流速分布经验公式进行盲区流速http://WWw.LWlM.cOm插补产生的误差； 6、仪器入水深度测量误差； 7、水位涨落率大时，相对的测流历时较长所引起的流量误差； 8、仪器检定误差。 4.2船速对流量测验的影响分析 根据ADCP规范要求，测量过程中测船横渡速度宜接近或略小于水流速度。在实际测验中，难以保证船速小于流速，溪口站测船船速控制在1.0m/s左右，而中高水位下水流速度较小，甚至最小流速小于0.1m/s，因此，要求船速小于水流速度是个理想的情况要求，一般情况下是难以做到的。由此会产生一定的测验误差。根据实测成果分析，当船速与流速相差较大时，流量相对误差多数较大；但船速与流速接近时，流量误差相对较小。 4.3含沙量对ADCP测量影响分析 溪口站目前没有测验输沙项目，因此含沙量对测验精度的影响采用定性分析。根据此次测验情况，实测流速变幅为0.14～0.77m/s，流速相对较小，根据多年实测资料分析，在此流速条件下河道含沙量较小，在流速、含沙量都较小的情况下，认为不会产生河床走低或走低不明显，因此对ADCP底跟踪测量流速、水深不会造成影响或者影响很小。从实测情况来看，测验前将测船固定在一个点上一段时间，检验是否存在走低，经多次测验未发现有向上游的“虚拟”运动，从实测剖面图来看，流量较大时没有出现底跟踪信号丢失的情况，因此可以认为测验过程受含沙量的影响很小，不是造成测验误差的主要原因。 4.4水位变化率对测验影响分析 分析流量相对误差大于5%的测次，其各测次的水位变幅见表2。可看出，除第8、16测次外，水位变化都较大，其中有的并不是单一的涨水或退水，而是先退后涨或先涨后退。由于测验历时的不同，在水位变化较大的情况，流速仪同ADCP测验误差相对较大，实际情况也说明了这一点。 综上分析，ADCP使用时同流速仪相对误差较大原因主要是船速及水位变化率较大等因素引起的（磁偏角影响在同样施测条件下不予考虑），当流量较小时，受船速的影响较大，如第8、16测次；但流量较大时，船速的影响减小，主要受水位涨落变化的影响。鉴于ADCP的灵敏性（测验历时比流速仪法短的多）及溪口站本身的特性，认为ADCP测量结果更趋近于流量变化过程的真实情况。 5存在问题与建议 （1）走航式ADCP测验精度保障不够。由于设备及测验条件限制，本次ADCP采用铁质船施测，易受到外界磁场干扰，对测验精度有一定影响。 （2）此次未能收集高水位大流量的实测资料。一方面由于受电站调节影响，实测流量一般小于810m3/s，较小洪水被电站拦蓄。另一方面较大洪水并不易出现，此次测验期间未发生较大洪水。建议今后适时收集该部分资料，进行对比分析。 6结论 （1）ADCP是一种科技含量较高的水流测验设备，具有使用方便，维护最少、测验快捷准确等优点。 （2）此次比测分析，共收集30个测次，中高水位及流量分布合理，相对误差较小，相对误差≤±8%的合格率达93.3%；系统误差仅为0.34%<1%，测验精度符合相关规范要求。 （3）通过本次比测试验也可以看出，事实上，应用ADCP测流时，只要严格按照测流规范的要求进行，选择合适的安装环境，正确设置测流参数，规范操作流程和细节，通过往返测流自我比较，严格控制和认真分析测验误差，就能保证较高的ADCP测流精度水平。 （4）为加快水文现代化的步伐，为今后广泛应用ADCP进行水文测验奠定良好基础，在像溪口站情况复杂的区域进行水文测验，采用ADCP技术是许多传统测量方法无法比拟的优势，还能为防汛、抗旱，合理开发利用，管理水资源和保护水环境发挥重要作用。