走航式ADCP在兰州水文站的应用

摘 要：为了了解和掌握在不同流量级、不同含沙量情况下走航式ADCP的流量测验精度，提高流量测验效率，减轻测站工作人员劳动强度，在兰州水文站进行比测实验，通过分析其精度满足规范要求。

关键词：走航式ADCP；比测；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.075

黄委上游局2005年引进的ADCP测流系统，为了了解和掌握在不同流量级、不同含沙量及不同悬挂方式等情况下该系统的流量测验精度，提高流量测验效率，减轻测站工作人员劳动强度，让这一先进技术尽快得以投入生产使用，兰州水文站进行了多次比测试验。

1 兰州站基本概况

兰州水文站位于兰州市中山桥下游212m，地处东经103°49'，北纬36°04'，集水面积为222551km2，占黃河流域总面积的29.6%。

兰州站是黄河上游干流上的重要水沙控制站（属流量测验一类精度站）。用ADCP进行流量测验是近十几年来才发展和应用的新的流量测验方法。

1.1 测验河段及断面基本情况

兰州站测验河段顺直，水流自西向东穿城而过。两岸为人工块石河堤，河槽固定，河床由砂卵石组成，测流断面为一“U”型窄深断面，冲淤变化不大，各级水位水面宽在180～230m范围内变化；受稳定的河槽控制，水位流量关系曲线一般为单一线，年际变化不大。基本水尺断面设于中山桥上，测流断面位于基下212m处。

1.2 测验情况

该站流量测验以流速仪缆道为主，测船用以取沙和测流，特殊情况下使用浮标法测流。

2 ADCP测流系统流量测验

2.1 ADCP流量测验原理

ADCP中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。用ADCP进行河流流量测验是近十几年才发展和应用的新的流量测验方法，是一种动态测流方法，是随着测量船运动过程中进行测验的。

2.2 ADCP流量测验试验分析

（1）试验情况。本次试验用的ADCP为美国RDI公司第三代“骏马”系列“瑞江”牌1200kHz走航式遥测型ADCP，由一根牵引绳系于测流缆道行车架所挂的铅鱼上，另一端系在装载有ADCP的“三体船”上，由缆道带动“三体船”在断面上进行流量测验。

ADCP比测试验采用标准模式，水面航行速度小于0.5m/s，两边未测部分水面间距用缆道记数系统测量，上下未测部分流速采用幂函数外延计算。

（2）资料整理及分析。2011年前试验中共计测流143份，含沙量从0.576kg/m3 到11.0 kg/m3变化不等；所测最高水位为1513.07m（对应流量为1350m3/s）， 最低水位为1511.80m（对应流量为499m3/s），水位变幅为2.27m；测流过程中水流平稳，单次测流时间一般为10分钟，单次测流过程中水位变化平缓，采用连续测流方式在一定时期内多次测流。

将ADCP所测的流量点子点绘在兰州站水位～流量关系线上，测点与关系线拟合程度很好。

当含沙量较小时测流精度较高，当含沙量大于5kg/m3时，所测流量相对误差较大在14%～30%。误差分析时按两种方式进行，一是将全部资料进行统一分析计算，平均相对误差为2.26%；根据实际情况考虑高含沙量对测流精度的影响，只考虑含沙量在5kg/m3以下的情况，平均相对误差仅为1.2%，系统误差为-0.4%，随机不确定度为4%，符合一类精度站流量测验允许误差。

2012年后ADCP测流96份次，含沙量从0.020kg/m3 到1.56 kg/m3变化不等，所测最高水位为1514.08m（对应流量为2120m3/s）， 最低水位为1511.12m（对应流量为290m3/s），控制水位变幅2.96m。所测流量相对误差在-3.03%～3.39%。系统误差为0.42%，随机不确定度为2.76%，符合一类精度站流量测验允许误差。

3 结论

通过试验可以看出，走航式ADCP测流系统具有费时少、效率高、操作安全等特点，方便快捷，在兰州水文站含沙量小于5kg/m3的情况下进行流量测验精度满足规范要求，符合《声学多普勒流量测验规范》中投入生产的要求，可以作为兰州站低含沙量情况下的流量测验方法。另外配备的ADCP未安装外置罗经仪和GPS，出现动底时测验误差大。行驶到左岸时，船体运动轨迹混乱，导致水面宽测验不准确。缆道牵引ADCP安装GPS存在很多技术困难，目前难以实现。

目前黄河上游测区军功站以下测站，都属于坝下站，测站年均含沙量小于1kg/s，水位受水库调节影响变浮很大，常规的流速仪测验方法历时长（1.5小时），无法满足流量测验精度的要求，走航式ADCP测验历时短（12分钟～30分钟），精度满足要求，已具备向整个上游测区推广的条件。

作者简介：马勇（1981-），男，河南商城人，本科，工程师，主要从事水文测验、水文水资源分析研究工作。