走航式ADCP流量測驗(yàn)的主要誤差來源及其控制方法

1、走航式ADCP流量測驗(yàn)主要誤差來源及其控制方法宋政峰上海市水文總站 上海 200232摘 要：本文闡述了走航式ADCP流量測驗(yàn)誤差的主要來源，建立了誤差綜合的公式，并針對(duì)ADCP應(yīng)用中主要的技術(shù)環(huán)節(jié)，根據(jù)近幾年國內(nèi)外ADCP應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究成果，探討了減小走航式ADCP流量測驗(yàn)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的措施。1 引言雖然采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱ADCP進(jìn)行流量測驗(yàn)在美國已有近30年的應(yīng)用1，在中國也有近20年的應(yīng)用，但相對(duì)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀，ADCP流量測驗(yàn)仍然是一項(xiàng)較新的技術(shù)。一方面，ADCP儀器本身在不斷地更新開展，比

2、方在型式上從早期的窄帶ADCP到近十年來的寬帶ADCP、從傳統(tǒng)的四波束換能器到最新的相控陣換能器等；另一方面，人們對(duì)ADCP流量測驗(yàn)的認(rèn)識(shí)也隨著經(jīng)驗(yàn)的積累而不斷提高，例如我國對(duì)應(yīng)用ADCP進(jìn)行流量測驗(yàn)已經(jīng)制定并將修訂的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 2，美國地質(zhì)調(diào)查局也制定并數(shù)次修改的ADCP測驗(yàn)指導(dǎo)性技術(shù)文件345。但就廣泛應(yīng)用來說，依然需要通過試驗(yàn)研究和實(shí)踐總結(jié)，對(duì)ADCP流量測驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)積累和提高應(yīng)用效果。2 走航式ADCP流量測驗(yàn)誤差的主要來源在測量結(jié)果評(píng)價(jià)中，觀測值與真值得接近程度被定義為準(zhǔn)確度水文測驗(yàn)長期來稱為精度，它包含兩個(gè)方面：正確度和精密度，分別對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差6。根據(jù)被測對(duì)象的性質(zhì)，

3、流量測驗(yàn)精度的評(píng)估，采用B類模型進(jìn)行表述7，即不是采用定值重復(fù)性分析統(tǒng)計(jì)，而是采取成因評(píng)估分析。但目前，國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均為未針對(duì)ADCP流量測驗(yàn)建立不確定度的表述公式。無論采用ADCP或者轉(zhuǎn)子式流速儀，流量測驗(yàn)實(shí)際上得到的都是約定真值近似真值，并且其精度水平因測驗(yàn)環(huán)境條件和觀測措施的不同而不同。走航式ADCP流量測驗(yàn)與流速儀法一樣，都屬于流速面積法，單次流量的物理形態(tài)都以“流量模8表達(dá)，兩者的誤差綜合的機(jī)理也相同9。根據(jù)流量測驗(yàn)誤差原理，以及采用局部中央法10計(jì)算斷面流量，走航式ADCP流量測驗(yàn)的總不確定度可由以下公式表達(dá)：2.1 總隨機(jī)不確定度： 2-1式中： XQ 總隨機(jī)不確定度，%；Xm

4、 斷面流速剖面數(shù)目的隨機(jī)不確定度，%；Xe 單元觀測歷時(shí)的隨機(jī)不確定度，%；Xp 剖面流速分布的隨機(jī)不確定度，%；Xc 儀器檢定隨機(jī)不確定度，%；Xd 測深隨機(jī)不確定度，%；Xb 航跡測量隨機(jī)不確定度，%；m 斷面的流速剖面的系綜ensemble數(shù)；n 垂線上的單元數(shù)；、為岸邊局部流量。因走航式ADCP流量測驗(yàn)，m較大，公式2-1可簡化為 2-22.2 總系統(tǒng)不確定度： 2-3式中： XQ 總系統(tǒng)不確定度，%；Xc 儀器檢定系統(tǒng)不確定度，%；Xd 測深系統(tǒng)不確定度，%；Xb 航跡測量系統(tǒng)不確定度，%。2.3 總不確定度： 2-4式中： X Q 總不確定度，%；XQ 總隨機(jī)不確定度，%；XQ總系

5、統(tǒng)不確定度，%。詳細(xì)分析所有的誤差因子及其綜合過程，是一件非常復(fù)雜的工作，上述公式還可以細(xì)化分解各種誤差組成。其中公式2-1、2-2中Xp就較為復(fù)雜，它包含了“底跟蹤、“水跟蹤涉及的所有誤差，而引起誤差的因素有多種，如上下盲區(qū)改正、泥沙影響等。此外，有的因素既可以引起隨機(jī)誤差也可以引起系統(tǒng)誤差，例如環(huán)境磁場干擾。轉(zhuǎn)子式流速儀和ADCP都可以通過水槽檢定，ADCP的流速檢定精度與其型式、頻率等有關(guān)，其檢定的測量不確定度通常為 %1 %，而流速儀一般為 %2 %，因此ADCP儀器檢定的測量不確定度通常比流速儀要小11。從技術(shù)手段與條件上來說，ADCP測深和測寬的誤差與流速儀法相當(dāng)，如果排除可能造成

6、系統(tǒng)誤差的環(huán)境因素和人為因素如吃水深度、聲速改正等，可以認(rèn)為ADCP流量測驗(yàn)的儀器檢定、測深、測寬的總不確定度，不大于流速儀。根據(jù)專門的比對(duì)試驗(yàn)12，根本上證明了：ADCP流量測驗(yàn)的精度至少與流速儀精測法是相當(dāng)?shù)?。誤差理論和測驗(yàn)實(shí)踐說明：即使儀器的檢定誤差很小、系統(tǒng)誤差也降低到最小程度，仍然會(huì)因其它方面存在較大的隨機(jī)誤差而使得單次測驗(yàn)的精度較低。走航式ADCP流量測驗(yàn)的隨機(jī)誤差可以分為三類：1與ADCP性能有關(guān)的因素。包括單砰標(biāo)準(zhǔn)差、砰速率以及設(shè)定的單元長度，這主要和儀器產(chǎn)品性能有關(guān)。寬帶ADCP就比窄帶ADCP具有明顯的精度優(yōu)勢；2河流水力因素、物理因素。包括斷面流速、水深、河寬、紊流強(qiáng)度、

7、泥沙、水溫、鹽度、穩(wěn)定流條件、磁場影響等，另外還包括河床組成及底沙運(yùn)動(dòng)影響，這些實(shí)際上也可以看作是ADCP適用條件和使用環(huán)境的問題。通常是水深較深、河面較寬、流速較大但河床穩(wěn)定的河流其流量測驗(yàn)隨機(jī)誤差較小；3測驗(yàn)作業(yè)因素。主要為ADCP載體測船或浮體的橫渡速度，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明，對(duì)于大江大河、水流較快的情況，即使測船橫渡速度較快，ADCP流量測驗(yàn)的精密度仍然可以很高，而對(duì)于水較淺、河道較窄、水流較慢的情況，橫渡速度要控制得很慢或采用高精度ADCP，才能保證較高的流量測驗(yàn)精密度。上述三類誤差因素往往可以帶來很大的誤差影響。為了提高或保證走航式ADCP流量測驗(yàn)精度，必須從兩方面著手。一方面要盡可能減小

8、系統(tǒng)誤差；另一方面要盡可能減小隨機(jī)誤差。3 如何減小系統(tǒng)誤差如前所述，如果排除所有可能造成系統(tǒng)誤差的環(huán)境因素和人為因素，可以認(rèn)為ADCP儀器自身的系統(tǒng)不確定度大約為1 %11。因此，減小ADCP流量測驗(yàn)系統(tǒng)誤差的關(guān)鍵是消除可能造成系統(tǒng)誤差的環(huán)境因素和人為因素。3.1 底跟蹤造成的誤差“動(dòng)底是可能造成ADCP測流系統(tǒng)誤差的主要環(huán)境因素。造成“動(dòng)底的因素有兩個(gè)：其一是推移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)，其二是近河底高含沙水流。當(dāng)ADCP利用底跟蹤觀測時(shí)，“動(dòng)底會(huì)造成設(shè)備出現(xiàn)反方向的虛速，從而使實(shí)測流速偏小。是否出現(xiàn)“動(dòng)底與ADCP頻率有關(guān)。通常高頻聲波穿透能力較差，遇河底高含沙水流或推移質(zhì)泥沙層即反射，且對(duì)高含沙量

9、較敏感、容易散射和被吸收能量；低頻聲波穿透力相對(duì)較強(qiáng)，可以穿透河底高含沙水流或有可能穿透推移質(zhì)泥沙層從河床反射，并且低頻聲波對(duì)高含沙量較不敏感、能量損失相對(duì)較小。因此高頻系統(tǒng)比低頻系統(tǒng)更易出現(xiàn)“動(dòng)底現(xiàn)象，在同一條件下，600 kHz ADCP施測時(shí)沒有出現(xiàn)“動(dòng)底，而1200 kHz ADCP 施測時(shí)卻可能出現(xiàn)“動(dòng)底。解決“動(dòng)底的方法目前有四種:第一種是采用差分GPS取代底跟蹤；第二種是采用較低頻率的ADCP；第三種是所謂“回路法 13；第四種是定點(diǎn)多垂線法將ADCP當(dāng)普通流速儀使用。通常第二種方法為優(yōu)選方案，但如果水深不是很大，那么不適宜采用；第一種方法那么需要進(jìn)行ADCP羅經(jīng)內(nèi)符合校準(zhǔn)和GP

10、S坐標(biāo)磁方位校準(zhǔn)，實(shí)際操作比擬麻煩、校準(zhǔn)工作要求高，實(shí)際效果與外接設(shè)備設(shè)置措施是否到位有很大的關(guān)系；第三種方法次選，但前提是 “動(dòng)底與流速變化關(guān)系單一且全斷面一致；第四種方法實(shí)際上已經(jīng)不是走航方式。需要說明的是，近河底高含沙的水沙流體，也是斷面流量的組成局部，因此對(duì)高頻ADCP采取GPS航跡測量克服底跟蹤“動(dòng)底影響時(shí)，那么會(huì)造成這類高含沙的水流的流量損失。3.2 參數(shù)設(shè)置造成的誤差可能造成ADCP測流系統(tǒng)誤差的人為因素主要包括ADCP入水深度測量或輸入錯(cuò)誤、岸邊距離測量或輸入錯(cuò)誤、岸邊形狀類型或岸邊流量系數(shù)選擇不當(dāng)、表層和底層盲區(qū)流速外延模型選擇有誤、ADCP盲區(qū)設(shè)定過小等。另外，當(dāng)采用差分G

11、PS取代底跟蹤時(shí)，ADCP磁方位坐標(biāo)系下的流速分量轉(zhuǎn)換成為GPS坐標(biāo)系即真方位坐標(biāo)系下的流速分量，這時(shí)兩個(gè)坐標(biāo)系之間的偏角必須精確校正，偏角校正值的微小誤差會(huì)造成較大的流量測驗(yàn)偏差。減少或防止以上誤差影響的方法：1對(duì)于岸邊形狀、岸邊流量系數(shù)可以通過實(shí)地?cái)嗝鏈y量和岸邊流速分布試驗(yàn)，參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，準(zhǔn)確獲知正確的參數(shù)。2岸邊距可以通過激光測距儀實(shí)際觀測、固定標(biāo)志、實(shí)時(shí)測量導(dǎo)航軟件等手段配合斷面水位觀測，獲得準(zhǔn)確的岸邊距。3ADCP入水深度的誤差，可通過“動(dòng)吃水校準(zhǔn)、船只平衡固定配載加以控制。4對(duì)于表層和底層盲區(qū)流速的外延改正，通常采用1/6冪函數(shù)，但建議進(jìn)行垂線流速分布試驗(yàn)選擇可能更適宜的改正模型，

12、尤其是潮水河。5不要將工作盲區(qū)設(shè)置小于儀器建議的標(biāo)稱盲區(qū)，對(duì)于第一層單元數(shù)據(jù)有誤的，可以在此仍然需要設(shè)定一定的盲區(qū)以使第一個(gè)單元測驗(yàn)的流速比擬準(zhǔn)確。6當(dāng)外接差分GPS時(shí)，必須進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)。4 如何減小隨機(jī)誤差提高精密度對(duì)于某一測流斷面測驗(yàn)時(shí)的水力條件一定和采用的ADCP儀器品牌、頻率一定，可以從以下幾個(gè)方面入手減小流量測驗(yàn)的隨機(jī)誤差提高測驗(yàn)精密度。 4.1 正確選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ紸DCP的工作方式有三種類型，不同的信號(hào)發(fā)射與處理型式，其精度效果也不同。寬帶模式的流速測量范圍寬、剖面深度較大、精度高，適用于大多數(shù)情況。脈沖相干模式流速測量范圍小，剖面深度小，但流速測量精度非常高，當(dāng)流速很低流速

13、小于10 cm/s且水深較淺水深小于2 m的情況，采用圖4-1 不同模式ADCP的流速標(biāo)準(zhǔn)差水深關(guān)系圖注：圖中縱軸為標(biāo)準(zhǔn)差、橫軸為水深；三種信號(hào)分別為窄帶、無編碼寬帶和編碼寬帶圖4-1是窄帶、無編碼寬帶和編碼寬帶三種工作模式下信號(hào)的流速標(biāo)準(zhǔn)差與水深關(guān)系圖，由圖可見，窄帶信號(hào)的測速精度較差但工作量程較遠(yuǎn)，非編碼寬帶信號(hào)的測速精度較高但量程較小，采用編碼技術(shù)的寬帶信號(hào)在保持精度的情況下可以到達(dá)500 m的量程。當(dāng)沒有特殊的使用條件時(shí)，通常選擇寬帶ADCP在實(shí)際工作中：首先應(yīng)選擇適宜的ADCP類型，通常以工作水深來考慮ADCP類型的選擇，對(duì)于特別淺的河流，可以選擇脈沖相干方式的ADCP；一般河流水深

14、都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于200 m，帶編碼技術(shù)的寬帶ADCP又已經(jīng)大量普及，應(yīng)選擇寬帶ADCP；當(dāng)水深超過500 m時(shí)才考慮選擇窄帶ADCP。其次，對(duì)于一款具有多種工作模式的ADCP，應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件選擇不同的工作模式。需要注意，當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理分析或觀測數(shù)據(jù)有特別的要求時(shí)，應(yīng)慎重采用4.2 采用較小的深度單元寬帶ADCP以及標(biāo)準(zhǔn)模式的應(yīng)用最為廣泛。美國地質(zhì)調(diào)查局曾經(jīng)利用1200 kHz、600 kHz和300 kHz的ADCP，在寬帶模式下進(jìn)行試驗(yàn)研究，建議單元長度分別為25 cm、50 cm、和100 cm14。TRDI在進(jìn)一步的研究中考慮到在這三項(xiàng)單元長度附近單呯標(biāo)準(zhǔn)差有一較大的陡降，建議單

15、元長度分別為26 cm、ADCP接受和處理的聲學(xué)信號(hào)包含了隨機(jī)噪聲，單砰標(biāo)準(zhǔn)差是反映ADCP對(duì)聲學(xué)信號(hào)處理水平的一項(xiàng)指標(biāo)，也是衡量ADCP測速精度的重要指標(biāo)，它與系統(tǒng)頻率、工作模式即聲信號(hào)發(fā)射和處理方法、以及單元長度有關(guān)。建議采用較大單元是從聲學(xué)信號(hào)處理角度認(rèn)為較大單元流速測驗(yàn)精密度比小單元高，這符合單元流速觀測精度的理論。對(duì)于特定的ADCP系統(tǒng)頻率及信號(hào)處理模式，單砰標(biāo)準(zhǔn)差只是單元長度的函數(shù)，隨單元長度減小而增大。然而近年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)1617和理論分析18發(fā)現(xiàn)，對(duì)寬帶模式采用小單元反而有利于提高流量測驗(yàn)的精密度，特別對(duì)于較淺的河流效果比擬明顯。根據(jù)走航式ADCP流量測驗(yàn)隨機(jī)不確定度模型18，

16、說明流量測驗(yàn)隨機(jī)不確定度與單砰標(biāo)準(zhǔn)差與單元尺寸的乘積成正比： 4-1式中：XQ ADCP流量測驗(yàn)隨機(jī)不確定度； 水跟蹤單砰標(biāo)準(zhǔn)差m/s；Dc 深度單元長度m。圖4-2顯示了寬帶標(biāo)準(zhǔn)模式的單砰標(biāo)準(zhǔn)差、單元長度平方根的乘積與單元長度的關(guān)系。由圖4-2可見，單砰標(biāo)準(zhǔn)差與單元長度平方根的乘積是單元長度的階梯形函數(shù)。例如，對(duì)于1200 kHz的ADCP，該乘積在 m m單元長度范圍內(nèi)為常數(shù)；對(duì)于600 kHz的ADCP，該乘積在0.10 m0.50 m單元長度范圍內(nèi)為常數(shù)。這意味著在一定單元長度范圍內(nèi)，寬帶ADCP流量測驗(yàn)隨機(jī)誤差與單元長度無關(guān)。由于流量測驗(yàn)隨機(jī)不確定度與單砰標(biāo)準(zhǔn)差和單元長度平方根的乘積

17、成正比，因此，將單砰標(biāo)準(zhǔn)差與單元長度平方根的乘積作為一個(gè)參數(shù)來分析其對(duì)流量測驗(yàn)隨機(jī)誤差的影響更為方便，也更合理。 黑河鶯落峽水文站的試驗(yàn)結(jié)果說明：在平均水深小于2 m的河流，1200 kHz的ADCP單元長度設(shè)置為 m比設(shè)置為 m的測驗(yàn)精度高16。根據(jù)黃河小浪底、伊河龍門石窟、濱河小開河、黃河三門峽、黃河花園口等5個(gè)測站，選擇5 m 事實(shí)上，對(duì)于TRDI的寬帶模式，采用小單元比采用大單元有利于提高流量測驗(yàn)精度。這是因?yàn)閱卧叽绲拇笮≈苯佑绊懥魉贉y驗(yàn)垂向分辨率和實(shí)測區(qū)范圍。單元尺寸越小，垂線上實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，流速垂向分辨率越高，越接近實(shí)際流速分布，同時(shí)全斷面的實(shí)測區(qū)范圍也相對(duì)越大、盲區(qū)估算范圍更

18、小。采用較小單元，一方面可以使表層及底層盲區(qū)減小，垂向?qū)崪y區(qū)增大；另一方面可以使垂線剖面得到有效單元流速數(shù)據(jù)所需的最小水深減小，從而使測驗(yàn)起點(diǎn)或終點(diǎn)水深更淺，即岸邊非實(shí)測區(qū)減小。這樣，流量測驗(yàn)精度隨著實(shí)測區(qū)的增大而提高。為此，TRDI給出了建議單元長度計(jì)算方法：1WS預(yù)期值以“倍最大水深米數(shù)/單元數(shù)估算；單元數(shù)以“倍最大水深米數(shù)保證數(shù)估算保證數(shù)至少為20，單一脈沖相干的設(shè)備單元數(shù)取30但水深較小時(shí)可酌減；2不同工作頻率ADCP的最小單元的極限尺寸為：2000 kHz為 m、 1200 kHz為 m、600 kHz為 m、300 kHz3以上兩者中取較大值。盡管不同的ADCP最多可以設(shè)定100或

19、128個(gè)單元，但通常采用2050個(gè)單元就足夠了，采用過多的單元會(huì)降低采樣及數(shù)據(jù)輸出速率，在航跡斷面上會(huì)降低剖面總數(shù)，造成斷面流速剖面分辨率下降。因此，根據(jù)主流范圍、斷面形態(tài)、最大水深、平均水深等分析確定合理的“保證數(shù)很重要。4.3 控制測船橫渡速度當(dāng)工作頻率、工作模式、單元長度等已選定后，在相同的河流水力條件下，流量測驗(yàn)的精度將主要取決于ADCP的橫渡速度與水流速度的比值稱為速度比，合成量在分解計(jì)算中會(huì)因分量相差懸殊的而產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差。研究分析說明18：當(dāng)速度比遠(yuǎn)小于1時(shí)，ADCP流量測驗(yàn)隨機(jī)不確定度與速度比的1/2次方成正比；當(dāng)速度比遠(yuǎn)大于1時(shí)，隨機(jī)不確定度與速度比的3/2次方成正比。美

20、國地質(zhì)調(diào)查局建議橫渡速度應(yīng)小于或等于平均流速4，即流速比應(yīng)小于或等于1，這一技術(shù)要求被廣泛采用。但是許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明，這個(gè)規(guī)定過于嚴(yán)格，并且在很多情況下難以實(shí)行。對(duì)于大江大河、水流速度較快的情況，即使ADCP橫渡速度超過流速12倍也能得到較高精度的流量數(shù)據(jù)。而對(duì)于較淺、較窄、水流較慢的河道，橫渡速度要控制得很慢小于或等于平均流速才能得到較高精度的流量數(shù)據(jù)。4.4 走航測回?cái)?shù)及測驗(yàn)歷時(shí)有通過對(duì)大量實(shí)測數(shù)據(jù)研究分析發(fā)現(xiàn)12：ADCP流量測驗(yàn)的不確定度主要與所有測回一個(gè)單向走航觀測為一測回的總歷時(shí)有關(guān)，與測回?cái)?shù)無關(guān)；當(dāng)總歷時(shí)一定時(shí)，較少測回比方2個(gè)的流量平均值的不確定度與較多測回比方6個(gè)的流量平均值

21、的不確定度是相同的。不管進(jìn)行多少個(gè)測回，到達(dá)流量測驗(yàn)相對(duì)隨機(jī)不確定度5 %置信度為95 %的總歷時(shí)至少為 720 s。由此建議一個(gè)測次的走航過程控制準(zhǔn)那么12：所有測回的測驗(yàn)總歷時(shí)不應(yīng)小于 720 s，且至少進(jìn)行2個(gè)測回往返各一次以減小往返測驗(yàn)方向不同可能引起的偏差。按照這個(gè)準(zhǔn)那么，如果進(jìn)行4個(gè)測回往返兩次，單個(gè)測次歷時(shí)不應(yīng)小于180 s；如果進(jìn)行2個(gè)測回往返各一次，單個(gè)測次歷時(shí)不應(yīng)小于360 s。美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布文件5于2011年10月1日起正式實(shí)施以上的測驗(yàn)總歷時(shí)控制準(zhǔn)那么，而不再采用4然而，單次測驗(yàn)歷時(shí)等于河寬除以橫渡速度。顯然，測驗(yàn)總歷時(shí)控制準(zhǔn)那么相當(dāng)于只考慮了ADCP流量測驗(yàn)隨機(jī)誤

22、差諸多因素中的兩個(gè)：河寬和橫渡速度。因此，采用測驗(yàn)總歷時(shí)控制準(zhǔn)那么對(duì)ADCP流量測驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行控制與評(píng)價(jià)是否適宜值得商榷。此外，非穩(wěn)定流如潮水河的流量測驗(yàn)，也不適合以總歷時(shí)控制準(zhǔn)那么作為測次流量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法。至少可以看出，測驗(yàn)總歷時(shí)控制準(zhǔn)那么實(shí)際是基于I型誤差控制而提出的，其總歷時(shí)內(nèi)分配不同時(shí)段的誤差評(píng)估方法，與斷面流量I型誤差試驗(yàn)及評(píng)估1920完全吻合，只是該準(zhǔn)那么采用了720 s作為控制時(shí)長。4.5 走航在起點(diǎn)和終點(diǎn)停留足夠長的時(shí)間對(duì)于岸邊非實(shí)測區(qū)，ADCP利用測驗(yàn)起點(diǎn)或終點(diǎn)的流速數(shù)據(jù)和岸邊系數(shù)推算其流量。這種方法與采用流速儀測流時(shí)是一樣的。通常要求起點(diǎn)或終點(diǎn)位置的流速統(tǒng)計(jì)系綜的個(gè)數(shù)即

23、砰集合個(gè)數(shù)是10個(gè)。如果為單砰數(shù)據(jù)輸出，10個(gè)砰集合大約需要5 s10 s；如果為4個(gè)砰平均數(shù)據(jù)輸出，10個(gè)砰集合大約需要15 s左右；因此，在測驗(yàn)起點(diǎn)或終點(diǎn)處停留時(shí)間至少應(yīng)為15 s。流速儀測速歷時(shí)至少一般為100 s、至少30 s以消除或降低脈動(dòng)的影響。因此從理論上講，ADCP 在5 s15 s內(nèi)的實(shí)測平均流速仍會(huì)包含較大的“I型誤差影響10，并且ADCP本身的噪聲在5 s15 s內(nèi)也不可能完全消失。雖然通常岸邊流量占總流量比例不大，因走航載體停留的相對(duì)穩(wěn)定難度，采用10個(gè)砰集合內(nèi)的實(shí)測平均流速被認(rèn)可，但對(duì)于岸邊區(qū)域較大、岸邊起終點(diǎn)流速不穩(wěn)定的，依然不能無視其影響，可以設(shè)定起點(diǎn)或終點(diǎn)流速測

24、驗(yàn)砰集合數(shù)為20或更多，相應(yīng)延長在起點(diǎn)或終點(diǎn)處停留的時(shí)間，必要時(shí)應(yīng)該采取增設(shè)專門的岸邊流速儀觀測措施。另外，無論水流是否穩(wěn)定，當(dāng)ADCP在起點(diǎn)或終點(diǎn)處停留測速時(shí)，要盡可能使測船或浮體保持在根本固定的位置上，防止前后左右漂移。4.6 選擇適當(dāng)?shù)恼`釋流速Ambiguity velocity通常，ADCP的工作軟件會(huì)根據(jù)用戶鍵入的最大流速和船速自行匹配設(shè)定適當(dāng)?shù)恼`釋流速，用戶也可以自行設(shè)定。當(dāng)誤釋流速設(shè)定的值越大，ADCP流速測驗(yàn)范圍越大，但是單砰標(biāo)準(zhǔn)差越高、流速隨機(jī)誤差越大；設(shè)定的誤釋流速值越小，ADCP流速測驗(yàn)范圍越小，但是單砰標(biāo)準(zhǔn)差越小、流速隨機(jī)誤差越小。誤釋流速設(shè)定值與最大相對(duì)速度即流速測驗(yàn)

25、范圍有關(guān)，可由下式計(jì)算： 4-2式中： VA 誤釋流速m/s；Vmax 最大相對(duì)速度m/s。通常默認(rèn)值都按5 m/s計(jì)算，當(dāng)自行設(shè)定時(shí)，對(duì)于最大相對(duì)速度的估計(jì)要稍微保守一些，即比實(shí)際流速大一些，以便確保實(shí)測中不會(huì)出現(xiàn)誤釋流速誤差。4.7 選擇多呯平均數(shù)據(jù)輸出通常，ADCP工作軟件對(duì)于水跟蹤和底跟蹤都默認(rèn)設(shè)定為單呯數(shù)據(jù)輸出。采用單呯數(shù)據(jù)輸出的好處是所有的單呯測驗(yàn)數(shù)據(jù)都得到保存，用戶在數(shù)據(jù)后處理時(shí)如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別單呯數(shù)據(jù)有問題，可以剔除。另外，單呯數(shù)據(jù)輸出使流速測驗(yàn)的水平空間分辨率最高。但是，因信號(hào)發(fā)射工作模式和數(shù)據(jù)處理需要，單呯數(shù)據(jù)輸出會(huì)降低ADCP單位時(shí)間內(nèi)的呯個(gè)數(shù)，即降低了呯速率。另外，在高含沙

26、水流條件下，底跟蹤可能不穩(wěn)定，這時(shí)單呯數(shù)據(jù)輸出可能造成流速數(shù)據(jù)喪失。目前，在生產(chǎn)中一般采用的是4個(gè)砰數(shù)據(jù)平均后輸出。也有設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)是在1 s內(nèi)所有砰的平均值，其數(shù)據(jù)輸出速率是固定1 Hz。4.8 ADCP內(nèi)羅經(jīng)校準(zhǔn)走航ADCP依賴羅經(jīng)提供的磁方位角與各個(gè)聲束多普勒頻移計(jì)算實(shí)際航跡。但是，ADCP采用的磁通門羅盤，其提供的實(shí)時(shí)磁方位角，存在方向誤差。這與光學(xué)經(jīng)緯度盤誤差類型一致，這是一種恒定誤差，測量上稱為短周期誤差。但是，這種內(nèi)部的恒定誤差卻在ADCP不同的指向和運(yùn)動(dòng)軌跡下，表現(xiàn)為影響剖面流速觀測值的隨機(jī)誤差。即使準(zhǔn)確設(shè)定了GPS坐標(biāo)與磁偏角包括通過“GC-BC方式設(shè)定，采用GPS和“底跟

27、蹤定位的航跡往往仍然不能重合，這就是因?yàn)锳DCP內(nèi)羅盤未進(jìn)行校準(zhǔn)所產(chǎn)生的誤差。這一誤差所導(dǎo)致的流量測驗(yàn)結(jié)果，有時(shí)候會(huì)有較大的偏差。因此，需要對(duì)ADCP內(nèi)羅盤進(jìn)行校準(zhǔn)。除了開機(jī)后旋轉(zhuǎn)2周以上使得ADCP充分感應(yīng)磁通量變化進(jìn)行初始化外，需要通過專門的程序作校準(zhǔn)，獲取“DistanceMG/Length改正值。當(dāng)船只存在磁干擾情況時(shí)，必須進(jìn)行專門的羅盤的校正，必要時(shí)還需要外接羅經(jīng)設(shè)備。4.9 外接設(shè)備走航式ADCP流量測驗(yàn)應(yīng)用中，目前在外接設(shè)備的設(shè)置上還存在很多需要注意的問題，主要有以下幾項(xiàng)：1外接羅盤與ADCP的艏向偏差；2外接GPS時(shí)與ADCP中心的偏差；3外接GPS時(shí)的數(shù)據(jù)格式；4GPS的定位

28、誤差；5GPS隨船只搖晃導(dǎo)致的誤差；6外接羅經(jīng)的類型、精度和適應(yīng)性；因此，外接設(shè)備并非是上佳之舉，而是不得已而為之的措施，并且還有比擬復(fù)雜的因素需要考慮。ADCP內(nèi)部羅盤為磁通門羅盤，其測驗(yàn)精度受環(huán)境磁場影響較大。如果測船是鐵船，最好采用外接電羅經(jīng)、光纖羅經(jīng)或GPS羅經(jīng)。通常推薦采用光纖羅經(jīng)或GPS羅經(jīng)，GPS羅經(jīng)使用時(shí)需要考慮環(huán)境遮蔽影響并宜選擇較長基線的型號(hào)。對(duì)于GPS數(shù)據(jù)格式，一般采用GPGGA模式并盡量使航跡成直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)具有勻速走航條件時(shí)采用GPVTG模式。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說，GPS通常應(yīng)該采用RTK。鑒于相對(duì)復(fù)雜又需要較多的校準(zhǔn)措施，采用非磁性材質(zhì)船只仍然是走航載體的首選。4.10

29、其它影響如果河底有比擬茂密的水草，會(huì)造成ADCP測深偏差、測深失效和底跟蹤失效，從而造成流量測驗(yàn)偏差或無法施測沒有數(shù)據(jù)或嚴(yán)重誤差。因此，測流斷面應(yīng)盡可能避開水草比擬茂密的河段，或嘗試采用ADCP定點(diǎn)多垂線法。走航式ADCP流量測驗(yàn)中，對(duì)于型誤差的控制是最為“軟弱的。由于走航方式，即使采用多呯輸出，某一個(gè)流速剖面的測量結(jié)果實(shí)際上也還是相鄰位置的幾個(gè)呯數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，只是近似認(rèn)為在較短小的航跡范圍內(nèi)流速分布幾乎相同。多呯對(duì)于脈動(dòng)影響的消除是極其有限的，可以說根本不能和流速儀持續(xù)幾十秒的效果相比，但是由于ADCP多單元和多剖面的特點(diǎn)，相對(duì)流速儀法那么對(duì)、型誤差控制具有顯著優(yōu)勢，當(dāng)全斷面具有密集的實(shí)測

30、單元時(shí)，用相對(duì)誤差表示的型誤差在全斷面上的隨機(jī)性，使各單元的型誤差可相互抵消。因此，要求單元的分布應(yīng)盡量均勻，以使得各單元的流速型誤差具有近似相等的權(quán)重。為此，應(yīng)控制船速均勻、速度適當(dāng)、主流局部的單元數(shù)足夠。5 結(jié)語影響ADCP流量測驗(yàn)精度的因素有很多，國內(nèi)外針對(duì)ADCP流量測驗(yàn)各項(xiàng)誤差影響都開展過很多專題試驗(yàn)研究并提出指標(biāo)性結(jié)論，但根本上都局限于對(duì)某一誤差因素的表現(xiàn)與措施進(jìn)行分析研究，而對(duì)ADCP單次斷面流量的不確定度估算，誤差綜合理論以及不確定度模型的研究非常少。本文依據(jù)“流量模的概念建立了ADCP河流流量測驗(yàn)的誤差綜合公式，并針對(duì)ADCP流量測驗(yàn)各項(xiàng)誤差來源和減小誤差的相應(yīng)措施進(jìn)行論述，限于篇幅對(duì)誤差估算不再進(jìn)一步展開。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中斷面流量的不確定度估算具體方法，所需要細(xì)化的公式組成和相關(guān)的內(nèi)容，還將進(jìn)行深入的研究。參考文獻(xiàn)1 Christensen, J. L., and Her