一种“动底”情况下 ADCP 流量误差修正方法

一种“动底”情况下 ADCP 流量误差修正方法
缪连华
【摘要】走航式ADCP在河流流量测验中得到广泛运用，但当河床存在走沙现象时，“底跟踪”模式下流量测验受影响显著。

该文从ADCP的流量计算原理及误差成因出发，提出用计算航迹偏移量的方法来推算河床走沙影响的流量偏小值，以完成对“底跟踪”流量的修正，为无GPS定位条件下，使用ADCP获得可靠流量数据提供一种新的计算方法。

%Vessel-mounted ADCP has been widely used in river discharge measurement , but when the riverbed exist quicksand phenomenon , the"Bottom tracking"flow test will be affected significantly .A method that calculated the cross track distance to reckon the small flow rate is evaluated by the riverbed quicksand impact .The flow rate principles and causes of errors starting from ADCP are calculated to complete the "bottom track"flow amendments .A new computational method is discussed to obtain reliable ADCP flow data without GPS positioning conditions .
【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2014(000)008
【总页数】3页(P84-86)
【关键词】ADCP;底跟踪;走沙;误差修正
【作者】缪连华
【作者单位】广东省水文局汕头水文分局，广东汕头 515041
【正文语种】中文
【中图分类】P335
走航式声学多普勒流速剖面仪(ADCP)具有能直接测出断面的流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大、且在测流现场直接获取流速、流量、流向、水深等水文要素全部信息等特点，与传统的河流流量测量方法相比具有更高的测验效率。

［1］
区别于传统流速仪，ADCP 方法流量测验结果与航迹无关，ADCP 计算流速的方式是利用发射一定频率的声波，通过接收水体反射的回波以计算水流速度。

依据底跟踪模式求船速时，若河床稳定，则得到的船速为相对大地的速度，在无走沙影响的情况下，精度符合水文测验要求［2］;若河底的泥沙在水流作用下发生运动时，则底跟踪失败，得到的船速为与河床运动质的相对速度，使得最终测得的流量存在一定误差。

常用的解决办法是用GPS 定位开展流量测验，但在极端天气或无GPS 定位条件下，需要仅用ADCP 就能获得可靠的流量数据。

本文根据ADCP 在潮安站比测实验情况，探讨在动底情况下ADCP 测流存在的问题，并提出相应对策。

1 流量计算原理及误差成因
ADCP 基于如下公式计算流量:
式中 Q 为对应于测验起点与终点之间的流量;s 为河流某断面面积;u 为河流断面某点处流速矢量;ξ为作业船航迹上的单位法线矢量;ds 为河流断面的微单元面积。

［3］
ADCP 通过跟踪水体中颗粒物的运动(称为“水跟踪”)所测量的速度V水是水流相对于ADCP(测船)的速度，该速度矢量与船速矢量(V船)叠加后，才是水流的真正
的流速矢量。

当河底存在走沙现象时，采用ADCP 底跟踪时所测得的船速失真，底跟踪所获得的船速V底为与河床(运动状态)的相对速度，由于河床走沙的速度V 走沙顺着水流方向，因此底跟踪的船速与真实船速相比，缺少一个顺水流方向的分量，造成采用底跟踪时测船航迹逆河道方向偏移;水流速缺少一个顺水流方向的分量，造成流速偏小，从而引起流量偏小。

偏移示意图见图1。

图1 存在动底现象时航迹偏移示意
2 误差修正方法
为了计算流量，ADCP 在走航测量中测量如下数据:
①水的相对速度(相对于船的速度，由“水跟踪”测出);
②船速(由“底跟踪”或由GPS 算出);
③水深(由河底回波强度测出，类似于回声测深仪);
④船的航行轨迹(由船速和计时数据算出，或由GPS 算出)［2］。

实际上，动底导致测船航迹发生的偏移量是河床走沙速度通过时间累计成的，因此假定河床走沙运动始终沿着航迹法线方向，且忽略走沙所引起的航迹变比对测验断面面积计算的影响，则公式可以改写为:
其中 A 为中间层面积;为平均走沙速度。

若流量测验在固定断面之间进行，即起始和结束断面位置A、B 是固定的，当存在走沙运动时航迹向逆水流方向偏移，底跟踪得到的结束位置为C，通过B、C 坐标数据可以得到测船偏移量ΔL，从而计算得河床的平均走沙速度在假设条件成立的情况下，该流速乘以流量实测层的面积，即可认为是走沙影响的误差流量，从而对底跟踪流量进行修正。

3 计算实例
3.1 概况
韩江流域位于粤东地区，由发源于梅州紫金县的梅江与来自福建的汀江于三河坝汇合后，经潮州，于汕头分若干支流入海。

潮安站位于广东省潮州市，1946年设站，基本断面位于湘子桥上游1 km 处。

2005年潮安水文站常规流量的测验断面上移
至赤凤断面，与潮安基本水尺断面相比，赤凤断面的水面宽显著变小，因此当水流速度相对较大，导致河床表面泥沙明显运动。

试验采用底跟踪(BTM)、GPS 跟踪(GGA)2 种模式进行，测船为玻璃钢体快艇，船体对ADCP 内置罗经偏角的影响
可以不计，GPS 跟踪采用GPS 差分信号定位，信号良好，测验的起始和结束端选择固定参照物。

3.2 走沙对船速的影响
利用GGA 模式和BTM 模式情况下的测验结果输出ASCII 数据，并计算在微单元情况下船速的大小和方向。

可以发现在“动底”情况下，BTM 模式和GGA 模式
下船速值并没有太明显的差异，但BTM 模式下船速方向波动剧烈，且与GGA 模
式相比存在明显的系统偏离。

不同跟踪模式下船速大小、方向对比见图2、图3。

3.3 流量修正
当河床走沙存在时，船体相对于河床有一个逆水流方向的速度分量，图4 为潮安
站某次测验航迹情况，实线和虚线重合位置为起始端，对比GGA 模式，BTM跟
踪轨迹随着测船前进而不断向上游偏移。

对试验断面连续开展5 次流量测验，通过末端偏移量得到河床平均走沙速度从而
计算走沙对流量的影响值Q走沙，计算结果见表1，用计算所得的Q走沙修正底
跟踪的流量，并于GGA 模式下的流量进行误差对比，计算结果见表2。

表1 河床走沙对流量影响计算测次偏离距离/m 时间/s V走沙/(m·s－1) Q走沙
/(m3·s－1)1 40.5 152 0.27 445 2 64.6 143 0.45 697 3 44.4 156 0.28 484 4 54.8 178 0.31 495 5 37.1 124 0.30 498
表2 修正流量成果测次 QBTM Q修正 QGGA 误差/%2 667 3 112 3 158 1.47 2 2 358 3 055 3 118 2.03 3 2 630 3 114 3 126 0.40 4 2 738 3 233 3 257 0.72 1 5 2 550 3 048 3 142 3.00
从计算结果可以看出，用走沙引起的流量减小值对底跟踪流量进行补偿修正，修正后的流量值与GGA模式相比，误差均不超5%，效果良好。

4 结论
随着ADCP 的推广应用，流量测验方式不断改进，工作效率不断提高，但野外测量工作受各种因素影响，在突发事件或无条件使用GPS 差分定位的情况下，利用固定测验断面的方式来获得测船偏移信息，不仅可以迅速了解河床是否存在走沙现象，而且可以对走沙引起的流量偏小情况进行有效估算。

该方法从ADCP流量计算原理及误差成因进行综合分析，在一定程度上提高“动底”条件下ADCP 底跟踪模式的测验精度。

参考文献:
【相关文献】
［1］黄河宁.ADCP 河流流量测量原理和方法［Z］.2002.
［2］郑庆涛，何建平.声学多普勒海流剖面仪在河流流量测验中的应用［J］.广东水利水电，2004(2):4－6.
［3］赵胜凯，王志芳.ADCP 基本原理及应用［J］.河北水利，2007(11):25.。