adcp剖面流速儀的比測應用分析

1、<p>　　ADCP剖面流速儀的比測應用分析</p><p>　　摘要：ADCP剖面流速儀是由美國引進的一種河道斷面流量測量儀器，具有重量輕，易于操作、工作穩(wěn)定、測驗速度快等諸多優(yōu)點。2004年，上級為黃委小浪底水文站配發(fā)該儀器一臺，該儀器與傳統(tǒng)的流量測量儀器流速儀的比測分析成為正式投入應用的先決條件。 </p><p>　　關鍵詞：ADCP，流速儀，比測分析 </p>

2、;<p>　　中圖分類號： S932.9+14 文獻標識碼： A </p><p>　　黃委會小浪底水文站位于河南省濟源市坡頭鄉(xiāng)泰山村，建站于1955年4月，流域集水面積694221km2，距黃河口距離892km，是小浪底水庫的出庫控制站，屬國家重要水文站，擔負著長期收集水資源資料和提供雨水情信息的重要任務。 </p><p>　　2004年，上級給小浪底水文站配置ADCP剖

3、面流速儀一臺，經過多年比測實驗和分析，目前，在2000m3/s以下流量級，該儀器測驗數(shù)據精度符合有關規(guī)范要求，已經作為正式資料應用。現(xiàn)對該儀器應用幾年以來流量在2000m3/s以上的實測資料和流速儀實測資料進行對比分析，確定在2000m3/s以上流量情況下，該儀器測驗資料是否符合有關規(guī)范精度要求。 </p><p>　　一、實驗內容與資料收集方法 </p><p><b>　　1

4、、實驗分析內容 </b></p><p>　　現(xiàn)選取2004年至2008年共四年流量在2000m3/s以上的ADCP剖面流速儀與流速儀實測資料進行對比分析，根據該儀器與流速儀法精度誤差情況，以確定該儀器在2000m3/s以上時在該站是否適用。 </p><p><b>　　2、資料收集方法 </b></p><p>　?。?）流速儀

5、法：主要采用黃測B201吊船，400kg鉛魚懸掛ls25―3型流速儀進行施測。測驗方法采用常測法，100秒歷時，人工記數(shù)、手工操作。 </p><p>　　（2）ADCP法：將ADCP懸掛于沖鋒舟或黃測B201吊船一側1米以外，由船帶ADCP沿斷面橫向移動，測得斷面流量等數(shù)據。施測斷面位置一般設在流量測驗斷面下游的10米到60米范圍的河段內，每次施測兩個測回，要求每半測回流量值與平均值的偏差不大于5%，計算其平均

6、值作為ADCP同步所施測的流量。 </p><p>　　二：比測分析使用的儀器設備情況 </p><p><b>　　1、流速儀法 </b></p><p>　　吊船過河纜1992年7月建成投產，兩岸均為自立式鋼塔， 左岸鋼塔高3.5m，右岸鋼塔高30m，主跨788m，主纜為上下平行雙纜結構，直徑31 mm ，最大荷載時最低點高度157.56m

7、，設計最高應用水位156.00m。 </p><p>　　測船：“黃測B201”鋼質吊船一艘，1996年8月投產，長22.99m，寬5.00m，吃水深0.50m，裝有400kg鉛魚和鉛魚懸吊設備，測洪能力5000m3/s；另有5.95m玻璃鋼船一艘，2001年11月投產，配有操作機一臺，用于右岸灘區(qū)測驗。 </p><p>　　其他測驗器具：HW-1000型自記水位計一套，最高測至143.

8、00m，經緯儀一架，水準儀二架， 機械天平一臺(1/100感量)， 電子天平一臺， LS25―3型流速儀7架，水準尺3付，采樣器8個，測深桿8根，秒表4只，計算機兩臺。 </p><p>　　2、ADCP剖面流速儀 </p><p>　　2004年5 月配發(fā)的美國駿馬系列瑞江ADCP剖面流速儀（WHRZ1200-1型1200KHz ）1臺。 </p><p>　　實

9、驗期間ADCP參數(shù)設置表 </p><p>　　三：比測實驗資料情況 </p><p>　　1、對比試驗時間段 </p><p>　　小浪底水文站自2004年5月配備ADCP以來，每年都進行比測實驗，但由于平時流量較小，只有在調水調沙期間流量才會大于2000m3/s，在2004,2006,2007,2008四年中，流量在2000m3/s以上測次共30次，各年比測次數(shù)

10、如下表1： </p><p>　　表1比測年份及2000m3/s以上比測次數(shù) </p><p><b>　　2、比測實驗資料 </b></p><p>　　表2為各年度流量在2000m3/s以上的比測數(shù)據資料，為與2000m3/s以下流量接圖，摘錄部分2000m3/s以下點據。 </p><p>　　表2各年度比測資料情

11、況 </p><p>　　四、比測試驗數(shù)據誤差分析 </p><p>　　（一）：兩種方法水位～流量關系曲線對比情況 </p><p><b>　　1、綜述： </b></p><p>　　因為每次測驗都有各種因素所造成的一定的誤差，通過定線可以基本消除這部分誤差。按照臨時曲線法，對流速儀和ADCP法實測點據分別定線，在

12、總水位變幅內，每10公分一個數(shù)據，分別在線上查讀ADCP及流速儀流量數(shù)據，對兩種不同方法所得流量結果進行誤差分析，從而判斷兩種測驗方法數(shù)據結果的差異性。 </p><p>　　2、水位~流量關系曲線如圖1： </p><p><b>　　3、誤差分析 </b></p><p>　　表3各水位級兩關系線相對誤差 </p><p

13、>　　從表3可以看出，誤差有如下特點： </p><p>　?。?）在2000m3/s～4220 m3/s流量段，ADCP測得結果比流速儀法系統(tǒng)偏大，相對誤差數(shù)值在+1.5%～+10.2之間。 </p><p>　?。?）相對誤差數(shù)值隨著水位的增高和流量的增大而增大。 </p><p><b>　　4、誤差成因分析 </b></p&

14、gt;<p>　　所有誤差均為正值，說明ADCP測法數(shù)據普遍大于流速儀測法數(shù)據，原因可能為： </p><p>　?。?）、流速儀靠轉子入水沖擊轉動來測速，而ADCP為非接觸式，所以流速儀施測流量時更易受到水草等漂浮物的干擾，而且還易受到流速儀定位、流向偏角、人工計時誤差等的影響，而在調水調沙期間，河水中時有水草，會對流速儀測速有一定的影響。 </p><p>　?。?）、另

15、一方面可以認為ADCP、流速儀是完全兩種不同的兩種測驗方法，這兩種方法確實存在測驗結果上的差異，特別是隨著水位的升高和流量的增大，這兩種測驗結果差值進一步增大。 </p><p>　　鑒于目前流速儀測法數(shù)據每年都作為正式資料刊印，可以考慮將ADCP結果經過改正換算得到與流速儀法結果一致的數(shù)據。 </p><p>　　5、兩種方法數(shù)據結果存在相關關系 </p><p>

16、;　?。?）建立水位與相對誤差關系，經過點繪，結果發(fā)現(xiàn)二者是直線關系。（如下圖2） </p><p><b>　　圖2: </b></p><p>　?。?）用該直線概化公式y(tǒng)=5.4126x-731.56（Y為相對誤差，X為水位），可計算求得直線概化相對誤差，對原有相對誤差相減得到改正后誤差。 </p><p>　　表4ADCP法與流速儀法誤

17、差修正 </p><p>　　小結：由表4可以看出，ADCP法與流速儀法相對誤差與水位關系密切，按相對誤差與水位關系公式改正后ADCP法與流速儀法相對誤差很小，在-0.41%～+0.30%之間，且無系統(tǒng)偏離。于是認為ADCP測驗結果數(shù)據QA可以通過公式換算為接近流速儀法的結果QA＇,以作測驗結果。 </p><p>　　同樣，由于ADCP法與流速儀法相比，所有實測點據全部系統(tǒng)偏大，且偏大較

18、多，無法直接應用和進行相對誤差以及隨機不確定度計算，故對ADCP法實測點據按照ADCP法與流速儀法的關系進行改正后再作計算。 </p><p>　?。ǘ〢DCP實測點據相對誤差及隨機不確定度分析 </p><p>　　1:ADCP實測點據的修正 </p><p>　　改正公式的推導分析 </p><p>　　表5 各水位級QA偏大數(shù)值占自身

19、百分數(shù) </p><p>　　建立水位與偏大百分數(shù)關系線，經點繪，亦為直線。 </p><p><b>　　圖3: </b></p><p>　　由該圖根據水位與相對誤差關系，可得將QA修正為QA＇的公式： </p><p>　　QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100] </p>&l

20、t;p>　　式中，X為水位，QA為ADCP實測流量，QA＇為公式修正后流量。 </p><p><b>　　2：誤差分析 </b></p><p>　　根據公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]對ADCP實測流量點據進行改正，計算其與同水位流速儀法線查流量的相對誤差，以及隨機不確定度。 </p><p>　　表

21、6 實測點據修正后與流速儀法相對誤差情況 </p><p>　　由表6可知，30個數(shù)據中，相對誤差在±5%以內的29個，其中負值13個，正值17個，相對誤差均值+0.1%。 </p><p>　　根據公式X Q＇=2{[∑（（QA’-QLC）/QLC）2]/(N-2)}1/2來計算隨機不確定度，式中X Q＇為置信水平為95%的隨機不確定度，QA表示ADCP實測流量（m3/s）；Q

22、LC表示與實測流量QA對應的相應水位在關系線上查得的流量，計算可知：置信水平為95%的隨機不確定度XQ＇為5.82。 </p><p>　　從以上統(tǒng)計數(shù)據來看，數(shù)據精度完全符合有關規(guī)范要求。 </p><p><b>　　五：結論 </b></p><p>　　1、在2000m3/s--4220 m3/s流量段，ADCP測得結果比流速儀法結果相

23、比系統(tǒng)偏大，且幅度較多，超出有關規(guī)范應用要求，其結果無法直接應用。 </p><p>　　2、ADCP法與流速儀法測得結果差異具有規(guī)律性，利用公式QA＇=QA*[1-(4.8601X-656.68)/100]可將ADCP測驗結果轉化為與流速儀法一致的數(shù)據。 </p><p>　　3、ADCP實測點據通過以上公式轉化后與流速儀法相比無系統(tǒng)偏離，測點相對誤差、測點95%置信水平的隨機不確定度均