声学多普勒流速剖面仪在黄河下游悬移质泥沙测验中的应用探索

宋士强 展恩泽

黄委山东水文水资源局 山东济南 250100

摘要：随着现代技术的不断发展，传统水文如何走出去与新技术接轨是水文工作面临的最直接的问题。近年来黄河下游实现了从流速仪向声学多普勒流速剖面仪（ADCP） 的转变，但也带了了许多新问题，本文面向利用ADCP实现声学测沙、基于ADCP测验数据的单沙测验垂线布设方法和输沙率计算方法两个方向进行了探讨研究。

关键词：水文测验；ADCP；声学测沙；含沙量；输沙率

引言

水文是研究自然界水的时空分布、变化规律的一门边缘学科，所涉及的洪水预报、河势演变分析、河床冲淤分析、河道流量推演等内容与人民的生活息息相关。水文测验所提供的数据支撑是水文学科所依赖的基础，21世纪以来，伴随着新时代的步伐，新技术、新方法在水文领域的应用更加广泛，促进传统水文向现代化、智能化的方向飞速发展。声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是一种利用超声波多普勒频移的物理原理测流的成熟仪器，已经在国内外水文测验上普遍使用。新技术带来许多便利，缩短了测验历时，减轻了劳动强度，但是，也带来许多新问题：黄河是世界上含沙量最大的一条河流，悬移质泥沙的测验是必不可少的项目，对黄河河道的冲淤变化的监测，即对河道过流能力安全性、防汛调度的监测也是极其重要的。

1.黄河下游泥沙测验现状

黄河是世界上含沙量最大的一条河流，河流情况复杂，目前，黄河上主要采用日常单沙测验、输沙率测验这两种方式对河流中悬移质含沙量进行监测，主要方法采用横式采样器采样、室内置换法处理，该方法存在诸多弊端：利用铅鱼或取样器进行泥沙测验时的测沙垂线位置、测点深度控制存在误差，耗时长，劳动强度大，瞬时采样不能消除泥沙脉动的影响，室内泥沙置换时效性不高，受人工操作影响较大等问题。

此前，黄河流域曾对光学测沙、同位素测沙进行过相关实验，由于黄河含沙量大等原因导致上述两类方法没有得到长期投产。因此，目前黄河流域急需一种准确、高效的泥沙测验方法以取代现行方法。近年来，在黄河流域内水文测报能力升级的发展方向下，黄河下游陆续引进声学多普勒流速剖面仪（ADCP）替代流速仪施测流量。相较于传统的流速仪法测流，ADCP法具有简单、快捷、准确、获得信息量大的特点，加之GPS罗经的辅助定位，消除了黄河大含沙量产生的动底影响，ADCP在黄河下游的流量测验中得到迅速推广，逐步替代了传统的流速仪方法。因此，传统水文的悬移质泥沙测验工作如何与现代测验工作接轨是我们下一步探索的主要方向。

2.基于ADCP测验单元背散射强度的测点含沙量计算

ADCP 向水体发射声波脉冲，水体中的颗粒会对其产生散射，ADCP 换能器仅能接收沿着波束方向返回的散射信号，这部分散射信号的强度称之为背散射强度（Acoustic backscattering intensity，简称 ABS，下同）， “背”是相对于声波发射方向而言的。研究表明，ABS 信号强度与水体中悬浮颗粒含量相关，假定悬浮颗粒主要为悬移质泥沙含沙量（Suspended Sediment Concentration，简称 SSC，下同）。通过建立 ABS 与 SSC 的转换模型，即可将 ABS 信号转换为 SSC，实现 ADCP 测沙。通常基于小颗粒声波散射（反射）声呐方程，该方程以指数形式表示为：

式中：SSC ——悬沙含沙量，kg/m³；

A、B ——为系数；

RB——相对声反向散射，为换能器测量的回声电平与双向传输损失之和。

我们在黄河下游泺口水文站开展相关实验数据的采集工作，共采集了33组垂线数据，进行了已知的实验数据采集模式的相关探索与数据分析。每次测验时选取1条代表垂线，在该垂线上密集采样，同时用ADCP采集数据（流速、背散射强度等）。记录垂线各点采样的精确时间，与该时间对应的ADCP接收呯相关联。采用多项式拟合的0.5相对位置和0.7相对位置的相关系数为0.6804、0.6748（图1），证明其中存在一定的相关性。

图1含沙量与不同点位背散射强度相关性对比分析

ADCP测沙试验中采用回归方程进行背散射强度与含沙量的转换，回归方程与水流条件、泥沙颗粒粒径等都有一定关系，并不固定，根据实验数据我们进行了回归方程的求解，得到对应垂线位置0.5相对水深的含沙量数据如图2，可以看出，ADCP法实测含沙量与传统方法相比，存在不小的误差，相对误差在-35%~36%之间，系统误差7.2%，标准差27.3%。

图2 ADCP法与横式采样器法对比（测次3）

3.基于ADCP测验成果的取样位置分析及输沙率成果计算

日常单沙测验的取样位置分析、输沙率测验离不开流量测验成果，传统流速仪方法中，流量数据比较直观，但ADCP逐步替代传统流速仪后，ADCP测验就好比一种“黑箱”模式，我们只能拿到一个数据结果，而对详细的、更有价值的中间环节不甚了解，面对这种“黑箱”模式，如何简洁有效的分析取沙位置、计算输沙率也值得我们探索。

根据山东测区当前投产的ADCP（搭载GPS及罗经），及其采用的相对于GPS（GGA）模式进行测验的方式，对参数进行多次比较筛选后，最终确定后续分析计算所需的参数，从而获得各呯集合中的各单元对应的经纬度、水深、流速、累积流量的原始数据，保证后续步骤所用数据的准确性，分析所使用的参数如下：

在我们的实际应用中，根据ADCP数据处理软件WinRiver II 导出的水边距套绘往返断面总存在一个差值，这增加了利用往返测次计算取沙位置、输沙率的不稳定性，因此我们首先进行ADCP起点距的改算。引入测点经纬度对ADCP的短暂偏线进行了小的修正，用实测值代表断面线对应点的测验数据，得到了一个相对合理的效果（见图3）。利用已知断面起点经纬度、终点经纬度及测点经纬度计算矫正点，并以此作为ADCP测线起点距。从起点距矫正前后对比图，可以看出起点距矫正后断面形态拟合较好。进而可以根据改算的起点距按累计流量不同比例（黄河下游1:2:2:2:1）的方法确定垂线位置。

图3 起点距矫正前后断面套汇图

根据《河流悬移质泥沙测验规范 GB/T 50159-2015》，输沙率计算采用的是部分流量加权法，我们以ADCP测验数据为基础，首先获取测沙垂线起点距和垂线含沙量数据，根据ADCP测验数据中的起点距位置提取对应的往测、返测两个过程累计流量的均值数据，并采用部分流量加权的方法对输沙率进行计算。

2020年11月8日，黄河下游泺口水文站进行输沙率测验，我们以此次数据为基础同步进行了输沙率计算，与流速仪法对比，本次流速仪法实测输沙率0.733t/s，实测断面含沙量1.25kg/m³，实测单沙1.20kg/m³，ADCP法推算输沙率0.721t/s，相对误差-1.6%，推算断面含沙量1.21kg/m³，相对误差-3.2%。

4.结语

综上所述，利用ADCP实现声学测沙仍需进一步的探索，背散射强度～含沙量关系是采用声学方程的简化式描述的，该简化式没有全面考虑背散射强度～含沙量关系的内在原理和具体影响要素，因此带来了较大的实验误差，可以进一步考虑更多参数的影响，如水温、水深、颗粒中值粒径等因素加以修正；ADCP测验数据的进一步挖掘具有较大的价值，可以考虑将ADCP测验数据应用在取样位置分析、输沙率计算中，能有效地降低劳动强度，保证测验精度和测验效率。

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