云南勐省水文站S5型走航式ADCP比测试验分析

玉洁

(云南省水文水资源局 临沧分局，云南 临沧 677000)

“声学多普勒流速剖面仪器(ADCP)引进与应用研究”是由云南省水文水资源局于2009年申报并获水利部批准立项，首次由云南水文系统组织实施的“948”计划项目，项目执行期为2010年4月至2012年3月。项目引进设备包括SL500型固定式在线流速流量剖面仪、M9和S5型走航式ADCP、Flowtracker便携式流速剖面仪等。临沧分局勐省水文站负责S5型走航式ADCP的比测工作，分析研究其在不同测流环境下的适应性、设备的使用范围和技术要求。

1 测站基本概况

勐省水文站于1960年3月由云南省农业厅水利局设立，位于云南省临沧市沧源县勐省镇勐省大桥左岸，2004年6月下迁180 m，改称勐省(二)水文站，系澜沧江流域澜沧江水系小黑江干流控制站，属区域代表站，集水面积1 766 km2。测验项目有水位、流量、输沙率、降水量、水温、岸温和水面蒸发量等。该站属二类精度站。

勐省站测验河段顺直长约300 m，河床由砂卵石组成，左岸为沙壤土，右岸为天然土石组成，河槽形态近似矩形，中高水主槽宽度约47 m。基本断面下游20 m处有一座5孔拱桥，桥下50 m有漫滩，对该站中高水的测验有影响。点绘勐省水文站2009～2013年大断面图见图1，可以看出断面相对稳定。

图1 勐省水文站大断面示意

2009年12月开始，断面下游100 m处建桥修筑施工围堰，对该站的水位流量关系曲线影响较大。2011年7月19日，施工围堰被冲毁，2011年8～12月的水位流量关系与2009年重合，水位流量关系详见图2。

图2 勐省水文站水位流量关系

2 试验目的、内容与资料收集方法

2.1 试验目的

通过比测试验，探索走航式ADCP的适用范围及应用条件，分析出该仪器在云南山区性河流中推广应用的可行性及必要性，总结出应用RiverSurveyor S5测流的先进性及适用性，以克服受水利工程等人类活动影响、回水严重、水流条件复杂导致的流速流量测验困难。

2.2 试验内容

根据《水利部“948”计划“声学多普勒流速剖面仪器引进与应用研究”项目2011年研究工作任务及实施计划》，按照云南省水文水资源局和临沧分局的比测方案要求，结合勐省水文站测验设备实际情况，采用RiverSurveyor S5和缆道流速仪同步施测流量，对两种方法流量成果进行相关分析和误差分析，以确定设备的应用水深和测速范围；测流时同步开展悬移质单样含沙量测验，以分析不同含沙量对测验精度的影响；每次比测时，分别用5种船速拖动RiverSurveyor S5，以分析研究船速与测验精度的关系。

2.3 资料收集方法

勐省水文站传统的流量测验方法为缆道流速仪法，当水位较高，使用流速仪法测流困难时，用比降面积法推算断面流量。一般情况下，实测水深、水面宽、面积、流速，用一点法(y=0.6)测流。水位较高无法实测水深或洪水涨落较快时，借用断面，用水面一点法测流；当水位变化平缓且水深满足三点法测验要求时，则采用三点法测流。

流速仪法完成流量测验后，用5种船速拖动RiverSurveyor S5。根据《声学多普勒流量测验规范》[1]4.2.16条第三款“应计算所测流量的算术平均值、每半测回流量值与平均值的偏差。如果最大偏差大于5%，应根据水情变化情况和测验过程进行分析”[1]的要求，以满足测验精度的船速进行单次流量测验，两个测回4个流量数据，且其中3个流量数据误差满足要求，求其平均值，作为单次流量成果。另外4种船速测验一个测回共2个流量数据，求其平均值。

3 比测仪器设备

3.1 传统流速仪

勐省水文站用缆道流速仪法施测的断面流量，水深、信号数及时间均为单片机记录打印。采用江西九江水文局生产的HCS-2000A型控制柜，LS25-1或LS25-3A型旋浆流速仪。所用流速仪均按规范要求定期进行检定，每次使用后用清水清洗，并用专用仪器油进行养护，仪器转动灵活，未发生锈蚀或损坏现象。

3.2 RiverSurveyor S5流速仪

RiverSurveyor S5是美国YSI/SonTek公司开发的先进测流仪，仪器采用全新的电子电路、硬件、软件、数据通讯和船体。S5体积小巧、功能强大、易于操作，是专门为水深小于5 m的河流或明渠浅水流量测验而设计的。S5有5个探头，其中4个为3.0 MHZ的对称波束，1个为1.0 MHZ的垂直波束。

4 比测分析

4.1 不同水位级流量比测方法与精度分析

4.1.1 比测方法

勐省水文站2011年最高水位为 942.24 m，发生在7月19日11:30；最低水位为 940.19 m，发生在5月15日23:00。比测期间，流速仪法实测流量最高水位941.94 m，最低水位940.48 m；S5比测流量最高水位941.90 m，最低水位940.47 m。由于水位超过 941.21 m时，S5底跟踪丢失，无法测量船速，导致测出的流量数据错误或误差过大，无法用于比测分析。按照勐省水文站测站任务书规定水位分：高水水位,H≥942.00 m；中水水位，942.00 m>H≥941.07 m；低水水位，H<941.07 m[2]。勐省水文站2011年有效比测工作均在中低水位进行。

2011年S5与流速仪共比测45次，其中，S5数据正常的测次为38次，不正常的7次。不正常的测次主要集中在7月份配置RTK-GPS前，水位超过941.21 m，底跟踪丢失，造成S5所测的流量数据错误。8月31日配置RTK-GPS后，勐省水文站发生的最高水位为 941.10 m，低于底跟踪丢失时的临界水位 941.21 m。由于未开展使用RTK-GPS后的有效比测，因此不能确定水位超过 941.21 m时，在增配RTK-GPS后S5的使用效果。

流速仪法与S5法比测时，首先用流速仪法测出断面流量，然后借助水文缆道，用相同的速度拖动S5测出相应流量作为比测值。每次流量最少两个测回，并剔除每测回流量的算术平均值与半测回流量值偏差大于±5%的流量，剔除后追加测回，取两个测回的平均值作为一个样本。

4.1.2 相关关系分析

以流速仪法流量为纵坐标，S5所测流量为横坐标，点绘相关关系图见图3。

图3 流速仪与S5测验流量比测相关关系

从图3可以看出，两者呈现很好的幂函数关系，其相关关系式为：Q流=0.974 7QS50.9984，相关系数为R=0.99，其良好的相关关系不受下游施工围堰的影响。围堰冲毁前水位虚高，相同水位下流速仪和S5测出的流量都一样偏小；围堰冲毁后，流速仪和S5测出的流量一样恢复正常。

4.1.3 单次流量随机误差分析

以流速仪法流量为标准流量，用S5法计算出的流量与其进行单次流量的随机误差分析对比见图4，详细分析表见表1。

图4 流速仪法S5法流量相对误差

从表1可以看出，单次流量测验允许误差满足文献[1]规定，即二类精度水文站中水总随机不确定度不大于7%，低水总随机不确定度不大于10%的要求。

4.1.4 S5法水位流量关系检验分析

从图2可看出，该站围堰冲毁前高、中、低水位级所对应流量分别比冲毁后小9.0%，14.5%，35.8%。因此，为保证比测资料的一致性，将该站2011年7月19日下游桥梁施工围堰冲毁前的11次流量作为一个时段，7月20日施工围堰冲毁后的27次流量作为另一个时段，检验其水位-流量关系曲线。

表1勐省水文站流速仪与走航式RiverSurveyorS5比测数据分析

通过检验计算，围堰冲毁前的水位-流量关系曲线符号检验合格，适线检验免检，偏离值检验合格，标准差检验合格；围堰冲毁后的水位-流量关系曲线符号检验合格，适线检验合格，偏离值检验合格，标准差检验合格。两个时段的随机不确定度和系统误差满足文献[3]“3.3.2条二类精度水文站采用ADCP测流，单一曲线法定线时，系统误差应在±2%的范围，随机不确定度应不大于12%”的规定。

4.2 含沙量对流量测验精度的影响分析

勐省水文站断面上游森林覆盖率约达75%，流域植被条件良好，断面洪水含沙量较小。2011年实测最大单沙 5.46 kg/m3，按照单断沙关系，求得最大断面平均含沙量 4.94 kg/m3。由于相对较大的沙峰过程都因水位高，超过 941.21 m，S5流量数据出错，导致缺失大洪水含沙量期间的比测数据，因此无法分析在高洪期含沙量对断面采用S5法的流量测验精度影响程度。全年S5与流速仪比测并同时测取断面含沙量的有效测次38次，比测时断面最大含沙量为 0.942 kg/m3，最小含沙量为0.031 kg/m3，流量比测相对偏差与含沙量关系对比详见图5。

图5 不同含沙量流速仪法与S5法流量相对误差

从图5可以看出，比测期间的断面平均含沙量在 0.031～0.942 kg/m3之间，含沙量的变化尚未明显表现出对S5测验精度有显著影响。

4.3 不同船速对断面流量测验精度的分析

测流过程中，应保持稳定的船速和船向，船速须小于或等于流速。由于勐省水文站用缆道拖动S5，而缆道行车的最大安全速度仅 0.40 m/s左右，比测期间断面平均流速在0.64～1.50 m/s之间，受缆道设备条件限制，船速难以达到与断面平均流速接近的速度。根据测站设备条件，每次比测时，选择 0.363 m/s左右的船速作为测量标准值，分别用0.238，0.280，0.313m/s和0.335 m/s的4种船速与之比测，进行船速与测验精度分析，不同船速S5法流量相对误差图详见图6。

图6 不同船速流速仪法与S5法流量相对误差

从图6看出，4种比测船速与标准船速所测出的流量接近，偏差均小于文献[1]规定的5%的范围，相对偏差成正态分布，未出现系统偏离的情况，船速的变化未对S5测验精度造成显著影响。

5 结 论

通过S5在勐省水文站的比测分析，得出以下结论。

(1)S5 是一款先进的浅水流量测验设备，测验精度高，测量历时短，适用于山区河流的洪峰流量抢测，能够广泛用于山区河流流量测验工作中。但是，水深、流速及含沙量应在该仪器测量范围内，遇到漂浮物较多、波浪太大时，不宜选择该种仪器测流。

(2)断面最大水深小于1.75 m时，S5法流量测验精度较高；断面最大水深大于1.75 m时，S5会发生底跟踪丢失现象，所测的流量数据误差较大，甚至无流量数据。为防止高水位时S5发生底跟踪丢失，必须配置RTK-GPS，并增加对高水的比测工作。

(3)当船速低于断面平均流速，且船速尽量保持一致的情况下，不同船速对S5的测验误差影响程度基本一致。由于受勐省水文站比测条件的限制，船速无法达到断面平均流速，因此，目前无法判定高船速对S5流量测验误差的影响是否显著。

(4)由于勐省水文站断面含沙量相对较小，加之S5受水深影响，导致2011年比测工作中未获取到较大含沙量的比测试验数据参与分析。因此，还无法判定S5正常使用时的含沙量变化范围，也无法定量分析含沙量对流量测验精度的影响。通过比测试验分析可知，断面含沙量在 0.039～0.942 kg/m3范围时，含沙量的变化对S5的测验精度无影响，S5可正常使用且精度满足规范要求。