声学多普勒流速剖面仪(ADCP)试验观测及应用初探.docx

1、监测技术声学多普勒流速剖面仪(ADCP)试验观测及应用初探何华权(崇左市水文水资源局，广西崇左532200)摘要以崇左水文站ADCP试验情况为例，介绍了ADCP的特点:在正常情况下测验的效率较高.安全性比较可靠.但存在故障维修成本高、受含沙地影响比较明显、易受水下外来电波干扰、推算实时流斌不稳定等问题。提出了ADCP测验工作中如何确保稳定性、降低维护成本、提高效率的建议。关键词ADCP；观测试验;缆道流速仪法；比测中图分类号P335文献标识码B文章编号1003-1510(2013)04-0085-04收稿日期2013-05-02作者简介何华权(I975-),男(壮族)，广西扶绥人，崇左市水文水

2、资源局工程师，主要从事水文水资源管理工作。1ADCP试验对比观测情况崇左站于2009年4月安装了ADCP在线测流系统，2009年5月开始运行，并与缆道流速仪法进行比测，其比测情况如下。1.1测站基本概况(1) 测验河段情况。左江由水口河、平而河自越南入境后在龙州县城汇合而成，左江迂回东去，至上金，右岸有大支流明江汇入,至多怀，左岸有大支流黑水河汇入。左江河床切割深,坡降大，水流较急。左江上游年平均雨量分布状况，自西北部的1500mm逐渐向东南递减至1200mmo降雨特点是山地雨量多于丘陵河谷地区，降雨年内分布很不均匀,65%的雨量集中在6-9月间。产生洪水的降雨天气系统主要有低压槽、低涡切变线

3、、地面静止锋以及台风等。左江发生较大洪水主要由台风造成，两种天气系统或两个台风先后影响，形成登加过程,就会酿成左江流域特大洪水。(2) 水文特征。龙州水文站于1991年设立，位于左江的崇左市河段，集水面积26823km为国家重要报汛水文站点，观测项目有：水位、流量、降水拭、水温、岸温、蒸发、测沙、水质等。测验断面上游20km处有左江电厂，由于受左江电站大坝拦蓄排水影响，崇左水文站断面流态变化较大，水位流量关系很不稳定。高水出现反绳套、半绳套等，低水点子散乱，出现多条临时线,增加了资料整编分析的难度和工作星。历年最高水位108.50m(85基准，下同；1986年7月)、历年最低水位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定点式ADCP引进安装调试情况2.1任务由来左江电站蓄水发电后崇左水文站处于水库下游，上游电站的调节，严重影响了水文站的水文预报、水文测验等正常工作，用传统的流速仪法进行流量测验无法满足控制流量的变化要求，为此2009年4月，广西水文水资源局在崇左水文站安装了声学多普勒流速仪(AcousticDopplerCurrentProfilers,简称ADCP),进行实时在线流量监测。2.2仪器设备基本情况及工作原理声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是国际上最先进的河流流量测验设备之一，它测量时不受断面

5、位置的影响，具有及时、准确、可长时间在线、无人值守、使用维护简单等特点，特别适用于“水位-流量”关系不稳定的断面，如受上、下有水工建筑物影响、入海口回潮河段等。近年，在水文测验、水资源调查、水环境保护、航运以及抗洪抢险等行业和部门得到迅速而广泛的运用。在测量时,ADCP的探头向水体反射声脉冲，当确定ADCP波长和几何参数后，只要检测出多普勒频差，就可以确定运动速度。ADCP向水体发射声脉冲，测出水体相对于ADCP的速度;ADCP同时还向河底发射底跟踪声脉冲,测出ADCP相对于河底的运行速度，然后计算出水流相对F河底的l'值速度。2.3仪器安装调试崇左水文站使用的ADCP是安装在河岸左岸

6、水位台井壁L仪器高程为85.95m,保证了仪器处于正常最低水位下1.0m左右；仪器到RS232通信接口的电缆长23m,换能器纵摇-0.34。£±0.5。，横摇0.00±0.5°仪器声束水平发射并垂直于断面，水平剖面杜程达到9（）血.初次调试一切正常。截止到目前仪器运行正常。ADCP匚作横断面图如图1所示：图1ADCPT作横断面图该仪器数据的收集有两种:一是通过在电脑上安装“Q-Monitor-11（流装通）”软件，进行数据实时采集或显示；二是通过在电脑上安装“BBTalk”软件进行内存卡读取，该站ADCP收集数据为：PD0格式,单元范I札取25-55m,

7、单元数位100,单元长度：100cm,平均H寸间：5min,采样间隔100s,盲区:100cm03定点式ADCP流速关系率定情况3.1率定目的把ADCP在线测流真正用到实处，建立ADCP指标流速与流速仪实测流速的相关关系，用ACDP在线测流代替常规流速仪测流，改变流仙测验方式.解放测站劳动力，提高水文科技含ht,提高丁.作效率.把水文流域测验作推向新的台阶。3.2率定方法、误差率定的方法有两种：一是应用“定线通”软件,把流速仪实测的流ht、水位及与其相对应的ADCP平均指标流速输进软件，标定出一系列回归方程的相关常数,然后进行分析选出最合适回归方程并进行分析计算。二是借助“Office”办公软

8、件,进行一系列的分析计算，本次分析采用第-种方法进行率定。3.2.1分析及计算在ADCP收集到的数据中找出与流速仪实测相对应的相关数据，并对数据进行初步可靠性分析，比测数据选用rADCP回波强度比较好的25-55m单元范围,进行了对比分析。通过用“定线通”进行初步计算分析,其中有5个突出点,原因：ADCP设备接受出现故障。另外，部洪水水位达到98.00m时，由于含沙量太大.无法测到指定单元范围。相关示图见图2、图3、图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|图2实测流速与指标流速关系图图3含沙量太大时的流量回波长度纵面图2538516击离,790lb3】、6】29|图4受电波干扰的流速回波长度纵面图在此用50份ADCP数据,通过“定线通”进行率定，得出r6组回归式的相关参数（表中“不确定度”为参考值，正确值应为两倍标准差的数值），如表1:从表1可知“一元二次多项式”和“复合线性”回归方程均可适用，但“复构性”回归方程率定后的参数过于复杂，因此,选择一元二次多项式的参数作为本次率定的结果，即Nm=0.0945+0.7996协-0.03526组回归线式的相关参数定线公式相关系数系数岫偏差标准差线性10.9864616.334149.9137

10、0.03510.0605线性20.99741-1.843322.37000.00000.0307一元多次项式0.99774-0.671119.91250.00000.0288馨函数0.97705-1.713537.49020.02310.0880复合线性0.99782-0.679119.78190.00060.0282二元线性0.99761-1.247620.77970.00000.0296式中：Vm率定后的流速；Vi指标流速。3.2.2检验及误差用流速仪实测流速即丫同仪及率定后的流速即Vm进行定相关曲线并检验及误差计算(见图5),从图5可知它们的相关性很好。本次率定的Um与Vi的标准差为0.

11、0288,不确定度为0.0576,系统误差为-0.671%,在SL3372006(声学多普勒测验规范中要求：当流速比测结果的相对系统误差在±1%以内，且不确定度不超过±3成寸，流速比测合格。图5流速仪实测流速与率定后的流速关系图根据标定出来的K换算为Qm,并与实测流量Q欢仪进行三大检验分析,三大检验合格，说明经过率定后换算得出的流量与流速仪实测流量之间的偏离、误差等相关性在允许范围内。本次比测成果符合河流流量测验规范(GB5017993)X水文资料整编规范(SL2471999),声学多普勒流量测验规范SL337-2006,比测成果合格。3.2.3率定资料质量总体评定2011

12、-2012年间，流速仪与ADCP比测资料55份,其中经过分析有5份由于ADCP仪器不水平、其他干扰等导致回波强度异常，资料失真，故不参与率定。在进行流速三种检验时，有11分比测资料因计算面积的误差,导致点子偏离不参与检验。根据本次比测结果，该ADCP在线测流系统本次率定结果的使用范围为:98.00m以下水位级，所收集到的数据是完全可靠的，完全满足规范要求，可以参加资料整编。4存在的问题(1) 受含沙量影响比较明显，当水位高于98.00m时，因水底含沙量较大，仪器只能发射到50m(如图3),所以当水位在98.00m以上时，应升高仪器,考虑重新收集数据进行分析率定。(2) 仪器容易受到电鱼船等电波

13、的干扰，回波强度的红绿线不一致,使所收集的资料失真(见图4)。(3) ADCP所测得的流速比较准确，但是在系统推算实时流量时存在不稳定性，特别是洪水时，因为系统是通过仪器本身自带的超声波水位器得到水位来推算面积的，而该水位器容易受到杂物的覆盖而影响水位变化，使实时流量不真实(目前，崇左市水文局已经购买水位分路器，解决了此问题)。(4) 分析计算误差。分析资料时，在考虑回波强度红绿线的一致性方面，由于视觉的影响而产生误差;决定单元范围的截取及是否剔除某些突出指标流速时,因可变更性比较大而产生误差等。(5) 设备及线路安装协调要求精细，水位台与值班室距离较远，线路易受外界影响。(6) 受雷电及供电

14、不正常等因素影响，容易出故障，零配件损坏维修费用大。5结语水文测验现代化建设不仅要做好设施设备的更新改造，配备先进的仪器，而且必须做好分析研究，提高管理人员的实际应用技能,充分体现现代化仪器的作用。(1) 加强对ADCP的应用技巧研究与二次开发的方向和重点的探索。(2) 加强各种仪器设备测验效果对比资料的分析，及时发现存在问题，认真会商解决。(3) 加强管理人员培训，重点做好仪器设备的应用与维护培训,为实际推广应用提供基础保证。(4) 加强对水位、含沙量出现特殊情况下测验效果变化规律的分析研究.提高测验数据的精度。(5) 加强仪器设备使用的安全保障，做好管线设施保护以及防雷、防震、防干扰等基础

15、工作。(责任编辑：刘征湛)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页)DiscussiononnewtechnologyofhydrologicalstationbenchmarkelevationsurveybasedonCORSsystemWENRun-feng(GuangxiHydrologyandWaterKesourcesBureau,Nanning530023,China)Abstract：Anintroductionwasmadeontheheightanomaly,solutionprincipleandCORSsystemtechnologyofCPSmeasurement.ItisproposedtoapplyGPSreceiverbasedonCORSsystemtomeasuregeodeticheight,acquirenormalheightbyregionalquasi-geoidrefinedmodelcorrection.Combinedwiththe