1.山东黄河河务局供水局 2.山东黄河工程集团有限公司
摘要：本文利用走航式ADCP，在引黄闸渠首开展与人工流速仪测流的比测试验，分析了走航式ADCP对引黄水闸流量测验的适用性。结果表明：走航式ADCP测流时间短、信息传输快，有利于减轻劳动强度和提高工作效率。但其在测流精度上与人工测流相比还存在一定误差，可进一步原因，进行相关调整，逐步推广。
关键词：走航式ADCP；引黄供水管理；测流比测
山东黄河共有引黄渠首水闸63座，担负着向全省13个地市80余县（市、区）以及河北的供水任务。引黄渠首的流量观测是引黄水量计量的重要环节和保障手段，一直受到高度重视。近些年，多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profilers，简称ADCP）因其在效率、精度、管理等方面具有诸多优势，在测流中应用逐渐增多，但在渠道尤其是在引黄渠首渠道中应用还较少。为不断提高引黄测流的工作效率，我们拟将声学多普勒流速剖面仪引入并应用于引黄渠首的流量测验，特开展相应的试验研究工作。
1、ADCP测流的基本原理
多普勒效应是指当波源与观察者具有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源发出的频率都有所变化的现象。ADCP测量剖面流速时，换能器发射某一固定频率的声波，然后接收水体中颗粒物散射回来的声波，发射声波与散射回波间存在多普勒频移，这种频移的变化取决于反射体的运动速度。通过多普勒频移的测量，就能够算出ADCP和散射体的相对速度，再利用矢量合成方法获取垂直剖面水流速度，它既能测量相对水底速度，又可以兼顾测得相对水流速度。
走航式ADCP由船只作为载体，搭载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）工作，测流过程中获取的信号通过传输系统实时传输到安装有专用程序的计算处理系统进行处理，即时得到测流成果，因而高效特点突出。
2、试验设计与方法
2.1试验区域及设备选择
试验选取刘春家和胡楼两座引黄闸，在闸后固定的测流位置测流，测验断面因素比较稳定。
试验使用的走航式ADCP是美国FairTek公司生产的HydroBoat CP1050便携式ADCP遥控电动船，搭载美国劳雷工业有限公司生产的瑞江600kHz宽带ADCP，配套软件为WinRiverⅡ测试软件；常规流量仪为LS23-3D型旋桨式流速仪。
2.2试验方法
传统的人工测流与走航式ADCP在同一断面、同一时间段内分别进行测流。流量测验依据参照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）、水文资料整编规范》（SL247-2012）、《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）等规范标准。通过调整闸门的开启高度调节流量，达到某个流量级并稳定后，再实施比测，每个流量级下试验不少于3轮次。
为对比研究两种测量方法结果的准确性，采用回归系数b，决定系数R2检验指标来进行验证。回归系数b 越接近于1.0，说明两种测流方法的测流结果越接近；决定系数R2越接近于1.0 时，说明两者的结果质量也越高。
2.3试验结果分析
从表1可以看出：刘春家闸和胡楼闸不同流量的19次测量中，大部分结果比较接近，相对误差小于±5%的均为17次，测量准确度为89.47%；有个别测次误差较大，超过10%的测次两闸各1次。刘春家闸人工测量大于ADCP的9次，小于的10次；胡楼闸人工测量大于ADCP测量的12次，小于的7次。二者均不存在一边倒的误差。刘春家闸和胡楼闸两种测量方法相对误差均有17次小于5%，其中小于1%的刘春家闸12次，胡楼闸9次；相对误差大于5%的各2次。刘春家闸相对误差大于5%的两次均发生在低流量情况下，流量达到6m3/s以上时相对误差未超过5%。胡楼闸相对误差大于5%的两次为第6次和第19次，在所处流量级中，人工测流结果均明显偏大。就数据直观分析而言，ADCP测流结果比较稳定。
表1 刘春家闸、胡楼闸流量比测结果表
分别生成刘春家闸和胡楼闸ADCP测流与人工测流对比图可以看出，刘春家、胡楼两闸ADCP实测流量和流速仪实测点均属同一系列，呈带状分布。流量方程分别为：QADCP=0.9994Q人工和QADCP=0.9919Q人工；回归系数b分别为0.9994和0.9919，非常接近1，表明ADCP测流与流速仪人工测流精度相当。决定系数R2分别为0.9957和0.9049，也非常接近于1，表明两种测试方法的测试结果基本一致，即用ADCP测量出的流量大小是可信的。
3 讨论与结论
运用走航式ADCP在引黄渠首进行测流，其测流精度与人工相比，大体相当，但误差有时偏大。这种误差可以通过扩大比测范围，调整操作和相关参数进行消除。
影响走航式ADCP的测流精度的原因包括含沙量、人为因素等。高含沙量及河底水沙流速快的区域会使回波强度衰减快，底跟踪失效，导致流量测验不准，从而产生误差。本次试验含沙量均在 0.6 kg/m3左右，相对较小，未影响测量。人为因素包括航行线路、移动速度、岸边停靠时间、岸边距离等。另外，ADCP测验程序的命令参数设置不符合实地测量环境，也会导致测量数据产生的误差。此外，温度变化、外界无线电、地磁异常、GPS卫星等外部干扰和ADCP设备内部噪声干扰也会产生ADCP测验的偶然误差。
鉴于引黄渠道具有含沙量大、渠道断面易冲易淤等特点，已经开展的试验还具有局限性，建议考虑含沙量、渠道断面、流量、季节等不同状况对走航式ADCP继续开展比测试验。针对ADCP底跟踪失效的问题，不断在设备操作、航行线路、参数设置等方面取得相关经验，适当时配备精度较高的GPS和罗经；同时，针对走航式ADCP测流和管理的需求，进一步对测流信息的传输、成果管理和使用等进行完善，使其在黄河下游水资源管理工作中发挥更大作用。
论文作者:杜娟1,张茜2
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第35期
论文发表时间:2019/12/18
标签：流量论文; 误差论文; 多普勒论文; 流速论文; 测量论文; 测验论文; 含沙量论文; 《建筑模拟》2019年第35期论文;