多普勒剖面流速仪在水文流量测验中的应用

时间：2024-05-20

马国荣

四川省成都水文水资源勘测局，四川成都 611130

为探讨在走底河床应用多普勒剖面流速的方法，我们在都江堰（内江）水文站进行了一次多普勒剖面流速仪测流试验。在当时水位的条件下，河宽约60m、最大水深约3.3m、最小水深约0.5m、断面平均流速2.6m/s、最大垂线平均流速4.1m/s，属于宽浅河道。现场使用多普勒剖面流速仪为多频走航式ADCP-M9，该仪器可根据河道中测点深度和含沙量自动调节工作频率，以减小测验死区来提高测验成果的可信度，多频工作方式与是否能减少河床走底对测验成果的影响没有直接关系。根据实验数据，河床存在明显的走底现象。现结合现场测验数据将ADCP 在走底河流的应用条件做一介绍。

1 为什么河流走底会对多普勒剖面流速的测流产生影响

河流走底对于传统方法流量测验（如机械式流速速仪测验或浮标流量测验）影响不大，但对于应用多普勒剖面流速仪的流量测验确需要特别的注意和采取必要的技术措施。

一般来说，多普勒剖面流速是使用“底跟踪”来测量船速的，“底跟踪”是一种“使用ADCP 来测量船速和船体相对位置”的技术。多普勒剖面流速测验从发射超声脉冲到接收从河底反射的回波这二者之间的“多普勒频移”，“多普勒频移”与船速成正比。多普勒剖面流速仪用底跟踪技术来计算船只通过河道断面时的实际速度和相对位置。通过底跟踪的技术，由ADCP 计算出相对于底跟踪的速度和方向的水流速度，从而计算得到断面的流量。

而河床的质地不同，底跟踪的效果会有很大差别，一般来说，由泥沙、砂土、岩石和硬质泥土等构成的坚硬、稳定的河床，适合使用底跟踪技术；疏松而不稳定的河床，或者沿着河床会移动的悬移质、软质泥土或植被等较多的河床，使用底跟踪会存在误差。

2 使用多普勒剖面流速仪验证河流是否走底的方法有三种

1）将多普勒剖面流速固定在河中可能有走底情况的垂线至少5min，用软件记录一个数据文件：船迹会显示出从开始点向上游方向移动，显示的“DMG”（直线距离）较大（表示有走底现象）。当船迹没有明显向上游方向移动时，显示的“DMG”较小。

2）在河岸上设一个固定点，开始记录数据。然后慢慢地横跨断面航行到对岸，抵达对岸后调头，再慢慢地驶向原始的开始点。船迹会显示出向上游方向移动的情况，显示的“DMG”较大（表示有走底现象）。当显示的船迹没有明显的向上游方向移动的情况，显示的“DMG”也较小。（表示无走底现象）。

3）使用DGPS 即差分全球定位系统连接到ADCP，同时用“底跟踪”和用“DGPS”进行测量并将结果进行比较。底跟踪显示的船迹与DGPS 显示的船迹偏离，并有向上游移动的情况（以DGPS 为参考）（表示有走底现象）。底跟踪显示的船迹与DGPS 显示的船迹相似（表示无走底现象）。

3 实测过程

都江堰（内江）水文站本身架有过河缆道，作为常规的测流手段。这次多普勒剖面流速仪的试验就利用缆道设备作为测流过河的工具，拖曳ADCP 三体船横跨河道完成一次流量的测验。

由于现场流速较大，底部河床有产生走底现象，本次测流采用了RTK GPS（即实时动态差分法GPS 测量方法，在野外实时得到厘米级定位精度的测量）作航迹和船速的参考，以避免因为河床的走底，造成用底跟踪作参考的测验误差。其最大的优点是在启用了RTK GPS 作航迹和船速的参考这个功能的同时，不仅记录了GPS 作参考的所有原始数据，同时仍然保留着用底跟踪作参考的航迹和流速的所有原始数据，既同时保存着三种不同参考方式的数据GPS GGA（全球定位系统位置定位资料）数据、GPS VTG（全球定位系统方向及速度相关资料）数据、底跟踪数据，并可以在后处理时进行分析和比较。

按照我国的多普勒测流规范，在测量前要做罗盘校正，通过罗盘校正，使其内置罗盘能够得到补偿，而指向磁场正北方向。当RTK GPS 用于计算河流流量时，重要的一点便是ADCP内置罗盘应以大地的正北方向作参考。操作时将当地的磁偏角输入到RiverSurveyor Live 软件中，就可以使罗盘的磁极北转换为大地北。这样做的目的是为了解决和补偿任何磁偏角的设定偏差或者较差的罗盘校正导致的航向误差和造成的流量计算偏差。

根据现场需要，多普勒剖面流速仪配备了通讯距离为1000 米的无线传输数据的方式。无线电台的终端安放在岸上，将其采集的数据传输到计算机中，由计算机控制测量的开始和结束，整个测量过程所有的数据保存在ADCP 的内置存储器中，并在仪器内部实时进行流量计算，计算机只是起了显示和监测作用。在都江验的整个测验时间自12：13时开始，12：45时结束，共 32 分钟，施测了4 个测回、4 个测次。每个测次平均3 分钟左右。按照水文规范的要求，将4 个测次的流量值，进行平均，然后得到本次流量的最终流量数据。表1 是从软件中给出的流量测量成果汇总表截图。

表1 2009 年7 月30 日M9 都江堰水文断面流量测量成果汇总表

从表中，可以得到的数据为：平均流量值为 386 立方米/秒，标准偏差3.88，误差为1.0%；实测流量部分的百分比为76.7%。上述实测的成果，是采用低频垂直波束测量水深，并采用RTK-GPS 作为流速和航迹的测量参考。4 次测量中，其中第4 测次偏离平均值最大，它的实测流量为392 立方米/秒；与平均值386 立方米/秒相比，最大的测量误差为 1.55%。4次测量的平均误差仅为1.0 %，多普勒剖面流速仪的重复性较好。

在整个测流过程中，多普勒剖面流速仪检测到了明显的河床走底现象。其不仅可以显示采用底跟踪做参考的测量航迹，同时也能显示采用 DGPS 做参考的测量航迹。二种不同参考测量得到的航迹在某个区域是不同的，而且底跟踪参考的航迹是偏向于 DGPS 航迹的上游。这是典型的河床走底现象。同时，从不同测次的航迹比较，可以看到在不同时刻，河床走底的位置和走底的程度都是不一样的。这是符合水流和流态永远不会重复的自然规律。

从软件的后处理分析，如果采用底跟踪做参考的话，测得的流量会减少约2～5 %不等。因此，对于都江堰（内江）水文站测流断面而言，这种走底现象会产生一定的负向偏移，在此条件下，若采用多普勒剖面仪测流时，是需要采用DGPS 或RTK-GPS 来提供精确的流量值。

通常，仅检查数据的结果是不容易看出走底现象的，其剖面仪集成了内置GPS，因此，有可能在同一个软件中，显示二种不同参考时的航行轨迹，给使用者有一个明确的提示，河床是否存在着走底现象，从而保证测验的精度。