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1、1走航式 ADCP 流量测验主要误差来源及其控制方法宋政峰（上海市水文总站 上海 200232）摘 要：本文阐述了走航式 ADCP 流量测验误差的主要来源，建立了误差综合的公式，并针对 ADCP 应用中主要的技术环节，根据近几年国内外 ADCP 应用的实践经验及研究成果，探讨了减小走航式 ADCP 流量测验的系统误差和随机误差的措施。1 引言虽然采用声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称 ADCP）进行流量测验在美 国已有近 30 年的应用1，在中国也有近 20 年的应用，但相对于传统转子式流速仪，ADCP 流量测验仍 然是一项较新的技术
2、。一方面，ADCP 仪器本身在不断地更新发展，比如在型式上从早期的窄带 ADCP 到近十年来的宽带 ADCP、从传统的四波束换能器到最新的相控阵换能器等；另一方面，人们对 ADCP 流量测验的认识也随着经验的积累而不断提高，例如我国对应用 ADCP 进行流量测验已经制定并将修订 的水利行业标准 2，美国地质调查局也制定并数次修改的 ADCP 测验指导性技术文件345。但就广泛 应用来说，依然需要通过试验研究和实践总结，对 ADCP 流量测验进行技术积累和提高应用效果。2 走航式 ADCP 流量测验误差的主要来源在测量结果评价中，观测值与真值得接近程度被定义为准确度（水文测验长期来称为精度），它
3、包 含两个方面：正确度和精密度，分别对应了系统误差和随机误差6。根据被测对象的性质，流量测验精 度的评估，采用 B 类模型进行表述7，即不是采用定值重复性分析统计，而是采取成因评估分析。但目 前，国内外技术标准均为未针对 ADCP 流量测验建立不确定度的表述公式。 无论采用 ADCP 或者转子式流速仪，流量测验实际上得到的都是约定真值（近似真值），并且其精 度水平因测验环境条件和观测措施的不同而不同。走航式 ADCP 流量测验与流速仪法一样，都属于流速 面积法，单次流量的物理形态都以“流量模”8表达，两者的误差综合的机理也相同9。根据流量测验 误差原理，以及采用部分中央法10计算断面流量，走航
4、式 ADCP 流量测验的总不确定度可由下列公式表 达： 2.1 总随机不确定度：（2-1）2/12 ,2 , 12 ,2 , 12 ,10222/ ibidinjjjcipijnjjemii mQXXnXXnXQqXX式中： XQ 总随机不确定度，%； Xm 断面流速剖面数目的随机不确定度，%； Xe 单元观测历时的随机不确定度，%； Xp 剖面流速分布的随机不确定度，%； Xc 仪器检定随机不确定度，%； Xd 测深随机不确定度，%； Xb 航迹测量随机不确定度，%； m 断面的流速剖面的系综（ensemble）数； n 垂线上的单元数； 、为岸边部分流量。0q1mq因走航式 ADCP 流量
5、测验，m 较大，公式 2-1 可简化为2（2-2）2/122222 2 2mXXXXXXXbdcpe mQ2.2 总系统不确定度：（2-3）2“2“2“ dbcQXXXX式中： X”Q 总系统不确定度，%； X”c 仪器检定系统不确定度，%； X”d 测深系统不确定度，%； X”b 航迹测量系统不确定度，%。 2.3 总不确定度：（2-4）2“2 QQQXXX式中： X Q 总不确定度，%； XQ 总随机不确定度，%； X”Q总系统不确定度，%。 详细分析所有的误差因子及其综合过程，是一件非常复杂的工作，上述公式还可以细化分解各种误 差组成。其中公式 2-1、2-2 中 Xp就较为复杂，它包含
6、了“底跟踪”、“水跟踪”涉及的所有误差，而引 起误差的因素有多种，如上下盲区改正、泥沙影响等。此外，有的因素既可以引起随机误差也可以引起 系统误差，例如环境磁场干扰。 转子式流速仪和 ADCP 都可以通过水槽检定，ADCP 的流速检定精度与其型式、频率等有关，其检 定的测量不确定度通常为 0.25 %1 %，而流速仪一般为 1.5 %2 %，因此 ADCP 仪器检定的测量不确 定度通常比流速仪要小11。从技术手段与条件上来说，ADCP 测深和测宽的误差与流速仪法相当，如果 排除可能造成系统误差的环境因素和人为因素（如吃水深度、声速改正等），可以认为 ADCP 流量测验 的仪器检定、测深、测宽的
7、总不确定度，不大于流速仪。根据专门的比对试验12，基本上证明了： ADCP 流量测验的精度至少与流速仪精测法是相当的。 误差理论和测验实践表明：即使仪器的检定误差很小、系统误差也降低到最小程度，仍然会因其它 方面存在较大的随机误差而使得单次测验的精度较低。走航式 ADCP 流量测验的随机误差可以分为三类：（1）与 ADCP 性能有关的因素。包括单砰标准差、砰速率以及设定的单元长度，这主要和仪器产品 性能有关。宽带 ADCP 就比窄带 ADCP 具有明显的精度优势； （2）河流水力因素、物理因素。包括断面流速、水深、河宽、紊流强度、泥沙、水温、盐度、稳定 流条件、磁场影响等，另外还包括河床组成及
8、底沙运动影响，这些实际上也可以看作是 ADCP 适用条件 和使用环境的问题。通常是水深较深、河面较宽、流速较大但河床稳定的河流其流量测验随机误差较小；（3）测验作业因素。主要为 ADCP 载体（测船或浮体）的横渡速度，实践经验表明，对于、 水流较快的情况，即使测船横渡速度较快，ADCP 流量测验的精密度仍然可以很高，而对于水较浅、河 道较窄、水流较慢的情况，横渡速度要控制得很慢或采用高精度 ADCP，才能保证较高的流量测验精密 度。 上述三类误差因素往往可以带来很大的误差影响。为了提高或保证走航式 ADCP 流量测验精度，必 须从两方面着手。一方面要尽可能减小系统误差；另一方面要尽可能减小随机
9、误差。3 如何减小系统误差如前所述，如果排除所有可能造成系统误差的环境因素和人为因素，可以认为 ADCP 仪器自身的系 统不确定度大约为 1 %11。因此，减小 ADCP 流量测验系统误差的关键是消除可能造成系统误差的环境 因素和人为因素。3.1 底跟踪造成的误差3“动底”是可能造成 ADCP 测流系统误差的主要环境因素。造成“动底”的因素有两个：其一是推 移质泥沙的运动，其二是近河底高含沙水流。当 ADCP 利用底跟踪观测时，“动底”会造成设备出现反 方向的虚速，从而使实测流速偏小。 是否出现“动底”与 ADCP 频率有关。通常高频声波穿透能力较差，遇河底高含沙水流或推移质泥 沙层即反射，且
10、对高含沙量较敏感、容易散射和被吸收能量；低频声波穿透力相对较强，可以穿透河底 高含沙水流或有可能穿透推移质泥沙层从河床反射，并且低频声波对高含沙量较不敏感、能量损失相对 较小。因此高频系统比低频系统更易出现“动底”现象，在同一条件下，600 kHz ADCP 施测时没有出现 “动底”，而 1200 kHz ADCP 施测时却可能出现“动底”。 解决“动底”的方法目前有四种:第一种是采用差分 GPS 取代底跟踪；第二种是采用较低频率的 ADCP；第三种是所谓“回路”法 13；第四种是定点多垂线法（将 ADCP 当普通流速仪使用）。通常第二种方法为优选方案，但如果水深不是很大，则不适宜采用；第一种
11、方法则需要进行 ADCP 罗经内符合 校准和 GPS 坐标磁方位校准，实际操作比较麻烦、校准工作要求高，实际效果与外接设备设置措施是否 到位有很大的关系；第三种方法次选，但前提是 “动底”与流速变化关系单一且全断面一致；第四种方 法实际上已经不是走航方式。 需要说明的是，近河底高含沙的水沙流体，也是断面流量的组成部分，因此对高频 ADCP 采取 GPS 航迹测量克服底跟踪“动底”影响时，则会造成这类高含沙的水流的流量损失。3.2 参数设置造成的误差可能造成 ADCP 测流系统误差的人为因素主要包括 ADCP 入水深度测量或输入错误、岸边距离测量 或输入错误、岸边形状类型或岸边流量系数选择不当、
12、表层和底层盲区流速外延模型选择有误、ADCP 盲区设定过小等。另外，当采用差分 GPS 取代底跟踪时，ADCP 磁方位坐标系下的流速分量转换成为 GPS 坐标系（即真方位坐标系）下的流速分量，这时两个坐标系之间的偏角必须精确校正，偏角校正值 的微小误差会造成较大的流量测验偏差。 减少或避免以上误差影响的方法： （1）对于岸边形状、岸边流量系数可以通过实地断面测量和岸边流速分布试验，参照规范规定，准 确获知正确的参数。 （2）岸边距可以通过激光测距仪实际观测、固定标志、实时测量导航软件等手段配合断面水位观测， 获得准确的岸边距。 （3）ADCP 入水深度的误差，可通过“动吃水”校准、船只平衡固定
13、配载加以控制。 （4）对于表层和底层盲区流速的外延改正，通常采用 1/6 幂函数，但建议进行垂线流速分布试验选 择可能更合适的改正模型，尤其是潮水河。 （5）不要将工作盲区设置小于仪器建议的标称盲区，对于第一层单元数据有误的，可以在此仍然需 要设定一定的盲区以使第一个单元测验的流速比较准确。 （6）当外接差分 GPS 时，必须进行准确的校准。4 如何减小随机误差提高精密度对于某一测流断面（测验时的水力条件一定）和采用的 ADCP（仪器品牌、频率一定），可以从以 下几个方面入手减小流量测验的随机误差提高测验精密度。4.1 正确选择适当的工作模式ADCP 的工作方式有三种类型，不同的信号发射与处理
14、型式，其精度效果也不同。宽带模式的流速 测量范围宽、剖面深度较大、精度高，适用于大多数情况。脉冲相干模式流速测量范围小，剖面深度小， 但流速测量精度非常高，当流速很低（流速小于 10 cm/s）且水深较浅（水深小于 2 m）的情况，采用脉 冲相干模式效果特别好。窄带模式是不得不考虑特别大的水深量程需要时的选择，该模式的流速测量精 度相对要低很多，并且底跟踪效果也不很理想。由于脉冲相干法适用于很浅的水深和较低的流速，因此 通常情况下都是是窄带和宽带的选择问题。4图 4-1 不同模式 ADCP 的流速标准差水深关系图注：图中纵轴为标准差、横轴为水深；三种信号分别为窄带、无编码宽带和编码宽带图 4-
15、1 是窄带、无编码宽带和编码宽带三种工作模式下信号的流速标准差与水深关系图，由图可见， 窄带信号的测速精度较差但工作量程较远，非编码宽带信号的测速精度较高但量程较小，采用编码技术 的宽带信号在保持精度的情况下可以达到 500 m 的量程。当没有特殊的使用条件时，通常选择宽带 ADCP 比较合理。 在实际工作中：首先应选择合适的 ADCP 类型，通常以工作水深来考虑 ADCP 类型的选择，对于特 别浅的河流，可以选择脉冲相干方式的 ADCP；一般河流水深都远远小于 200 m，带编码技术的宽带 ADCP 又已经大量普及，应选择宽带 ADCP；当水深超过 500 m 时才考虑选择窄带 ADCP。其
16、次，对于一 款具有多种工作模式的 ADCP，应该根据环境条件选择不同的工作模式。需要注意，当需要进行复杂的 数据后处理分析或观测数据有特别的要求时，应慎重采用具有多种工作模式的“智能型”的设备和采用 自动作业模式。4.2 采用较小的深度单元宽带 ADCP 以及标准模式的应用最为广泛。美国地质调查局曾经利用 1200 kHz、600 kHz 和 300 kHz 的 ADCP，在宽带模式下进行试验研究，建议单元长度分别为 25 cm、50 cm、和 100 cm14。TRDI 在进 一步的研究中考虑到在这三项单元长度附近单呯标准差有一较大的陡降，建议单元长度分别为 26 cm、 52 cm、和 105 cm
