北碚水文站水平式ADCP淘金者SL500.docx
《北碚水文站水平式ADCP淘金者SL500.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北碚水文站水平式ADCP淘金者SL500.docx（103页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
北碚水文站水平式ADCP淘金者SL500
北碚水文站水平式ADCP（淘金者-SL500）
流量比测及精度分析报告
长江上游水文水资源勘测局
2005-9-22
一、水平式ADCP（淘金者-SL500）测量原理及应用情况简介
（Argonaut-SL）概述：
美国SonTek水文仪器公司生产的“淘金者—SL”型（Argonaut-SL）侧视式声学多普勒流速仪（即：
固定式ADCP）。
它是应用声学多普勒频移技术开发的自动测流仪。
根据用户的需要，仪器固定在水面以下的某个部位进行在线的实时水位、流速监测。
仪器在应用现场可作为独立的流量计进行在线实时监测，也可作为水情遥测站的主要组成部分。
Argonaut-SL外观
作为测流系统，SL型侧视式声学多普勒流速仪可以与实时水位、实时断面面积以及经过率定的流速关系系数等参数集成后，直接输出实时流量。
Argonaut-SL测流示意图
Argonaut-SL水平式测流和底座式测流示意图
安装仪器对场地的要求和安装原则
“淘金者—SL”可以安装在河岸或渠壁的基座上，也可以安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。
在国外，大多数是安装在中间桥墩的侧面。
这种安装方法的好处是：
桥墩中间的流速更有代表性。
所以率定的关系会更好一些。
根据中国的国情，由于桥梁部门不允许水文部门在桥墩边作业，所以通常安装在水文站自己测亭的旁边，基本上是靠某一岸边或者是岸边。
而岸边的流速较小，甚至于有死水等情况，因此，流速的代表性不如上述的方法。
对安装地点的要求：
测验断面的河段宜顺直、稳定、水流集中，无分流、岔流、斜流、回流、死水等现象。
顺直河段长度应大于洪水时主河槽宽度的3倍。
测验断面应垂直于水流的流向。
这种选择条件与水文站设站的原则是一样的。
“淘金者—SL”的安装高程应根据具体情况而定。
为了保证能测到最低水位时的流速、流量，仪器必须安装在最低水位以下的高程。
若是通航河道，应适当安装较低的位置。
安装位置最好是在平均水位的0.6处。
仪器安装位置处所测量的水层，有较好的代表性，不能有回流现象。
因此，在选址时，应避免浅滩的地方，适用于安装较陡的河坡边。
安装时应注意使换能器水平，以保证声束为水平发射。
电缆需固定在边壁及地面，并加以保护措施以防损坏。
为了将仪器可靠地固定在用户指定的水下某一位置，可根据河道断面的情况，设计可将仪器上下移动的安装架。
便于根据不同的测流条件，上下改变仪器在水中的高程；同时，也便于对仪器的维护和检修。
测量原理
固定式“淘金者—SL”的最大特点在于能够自动测验和实时测验。
而通常采用的河流流量测量方法，例如人工船测，桥测，缆道测量，涉水测量，走航式ADCP测量等，都无法做到自动和实时。
因此，流量在线监测也就不能采用通常的河流流量测量方法和仪器。
为了做到自动和实时，河流流量在线监测主要采用间接测量断面平均流速的方法，即由美国地调局（USGS）首先提出和应用的指标流速法（indexvelocity）。
指标流速法的基本概念：
建立断面平均流速与指标流速（即某一实测流速）之间的相关关系。
又称为相关分析法或回归法。
用“淘金者—SL”实测的某一层流速（指标流速）实际上是河流断面上某处的局部流速。
断面平均流速则是河流断面上的总体流速的平均值。
因此，指标流速法的本质是由局部流速来推算总体流速。
在实际应用中，有三种局部流速可以用来作为指标流速：
某一点处的流速（单点流速）、某一垂线处的深度平均流速（垂线平均流速）、某一水层处某一水平线段内的水平平均流速（水平平均流速）。
在上述三种指标流速中，应用最多的是第三种指标流速。
即水平平均流速作为指标流速推算断面平均流速。
“淘金者—SL”测流的基本公式：
Q=AVmean
其中：
A=过水断面面积；Vmean=断面平均流速
过水断面面积与水位的关系通常采用表格或经验曲线来表示。
标准型“淘金者—SL”自带测量水位的垂直波束，只要在ViewArgonaut软件的内置流量计算公式中输入，水面距离～水深的表格，仪器自动计算过水的断面面积。
SL实测的水平流速～断面平均流速的相关关系的建立是采用流速回归方程：
Vmean=a+（b+cH）VSL
其中：
VSL=指标流速；a,b,c=回归系数。
在通常的情况下，可以将公式简化为一元一次回归方程。
即：
c=0:
则公式简化为：
Vmean=a+bVSL
为了找到水平流速～断面平均流速的关系，即上述的回归方程。
需要采用比测和率定的方法来完成。
在不同的流量或水位情况下，在用“淘金者—SL”采样的同时，用传统流速仪法或走航ADCP同步测出该时间的流量和断面面积，而得到断面平均流速数据。
将不同的流量或水位情况下得到的一组断面平均流速Vmean与SL测得的流速VSL以及水位的数据，对数据进行回归分析（如采用最小二乘法），即可以得到Vmean与VSL的关系曲线或回归方程。
将回归系数输入到“淘金者—SL”内置的流量计算公式中，仪器即可显示实时的流量。
指标流速法的回归系数建立步骤：
●建立Argonaut-SL实测流速与河流或明渠断面平均流速之间的经验关系。
（相当于用率定法）
●在用SL进行采集数据的同时，用其他方法，如传统的测流方法或采用走航式ADP，测出流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据。
●同步比测需要在不同级水位和不同流量的情况下进行.得到一组V层与V断的数据。
对数据进行回归分析，即可以得到V层与V断的关系曲线或回归方程。
●回归方程V断＝aVSL+bH+c或V断＝aVSL+c
其中：
a,b,c分别为回归系数
仪器型号：
“淘金者—SL”有三种不同的频率适用于不同的工作环境（见下表）。
型号SL-3000SL-1500SL-500
频率（kHz）30001500500
盲区（m）0.30.51.0
最大测量范围（m）622120
二、北碚水文站测站特性、水位流量关系基及流量测验整编介绍
北碚水文站测验河段
北碚水文站是建在嘉陵江上的流域出口控制站，东经:
106°25'ˊ，北纬:
29°51'ˊ，集水面积:
156142km2，是国家的基本水文站，为掌握嘉陵江、涪江、渠江汇合后的水情变化规律和认识河流水文特性的嘉陵江下段基本控制站；为嘉陵江的流域规划设计、水资源开发利用、水文分析、水情预报提供资料依据，为满足工业、农业、国防及国民经济建设的需要积累水文资料，同时承担着防汛报汛的重大责任，嘉陵江是长江上游最大的一级支流，因此北碚水文站在长江上游乃至整个长江流域具有举足轻重的地位和作用，提高北碚水文站的测验技术手段和技术含量是水文现代化的必然。
北碚水文站的水文测验项目十分齐全，包括水位、流量、单沙、悬沙、悬沙颗粒分析、水环境监测、降水量、水温、拍报等项目，测验河段顺直，两岸陡峭，属典型窄深式河床，河宽一般在150～250米，下图是北碚水文站2005年大断面图，河床组成主要是基岩，断面冲淤变化不大，测站控制条件较好，水位流量关系在低水时呈单一线，中高水绳套，现有的流量测验手段采用流速仪法，高洪及特殊水情时采用浮标法测量，因此，其每年的测流任务比较繁重，常年测流次数在100多次，下图是北碚水文站2005（010100～093124）年的水位流量关系，有12条推流绳套曲线，18个推流时段。
北碚水文站2005年大断面图
北碚水文站2005年水位流量关系
三、比测方法、参数设置和比测情况简介
比测方法：
选取SonTek水文仪器公司生产的“淘金者—SL500”型水平式ADCP，安装在北碚水文站的测流断面右岸，与中澳自记水位计的探头相邻，仪器位置的起点距为：
35.5m，仪器的垂直波束的高程为176.161米,该仪器可现场实测流速和水位，与同时刻流速仪测定的流速和中澳自记水位计测定的水位进行比测，并率定其回归指标流速指数，同时检验该仪器在北碚水文站乃至山区性河道的适应性，如水深、流速、含沙量等水文要素及其变幅以及其他环境因素对其测验的影响。
参数设置：
Averaginginterval（s）（采样平均时间）:
300s
Samplinginterval（s）（采样时间间隔）:
300s
Cellbegin（采样起始端距离）:
25m
Cellend（采样结束端距离）:
80m
比测情况简介：
2004年12月由SONTEK公司来技术人员到我局北碚水文站安装（Argonaut-SL）侧视式声学多普勒流速仪，型号为SL-1500（相应技术指标见前述），其资料收集至2005年4月，由于其测量的距离范围最大为25米，故只能选取Cellbegin为8m，Cellend为20m，但在测流断面上该区域水流紊乱，存在回流和紊流，流速不稳定，通过分析和收集的资料验证，无法建立起指标流速的回归系数，于是，SONTEK公司更换了仪器，采用SL-500型进行收集比测，其测量最大距离可达120米，参数设置见上，比测情况比较好，在比测期间经初步分析，可以建立起回归系数，数据收集从4月12日～9月，收集到了比较完整的有代表性的资料系列，在全年水位、流量、含沙量的变幅内和各洪水过程都有比较充分的试验资料。
由于ADCP的电源耗尽和人为误操作断电导致中途有两段时间未收集到数据，分别是2005-4-12-15～2005-5-10-11和2005-6-1-10～2005-6-6-15时间段，但同条件下的比测资料已经收集到，所以基本不影响整个资料的分析。
四、比测内容统计及资料评价
比测内容统计：
时间：
2005-4-617:
00～2005-8-2311:
00。
测次：
SL-500收集了30083组数据，流速仪法实测流速流量63次。
比测期水位变幅：
177.38~196.69m
全年水位变幅：
176.60～196.97m
比测期流量变幅：
729～24800（m3/s）
比测期（SL-500）流速变幅：
0.4～5.13（m/s），指代表段平均流速
比测期（流速仪）流速变幅：
0.33～4.9（m/s）,指断面平均流速。
全年流量变幅：
203～25200（m3/s）
比测期含沙量变幅：
0～4.33kg/m3
全年含沙量变幅：
0.002～4.33kg/m3
资料评价：
该项目的比测是在SONTEK公司的技术人员的亲自参与和指导下完成的，仪器的选型、安装和参数的设置均由SONTEK公司的技术人员根据北碚水文站的断面条件完成，操作方法也是由他们培训和指导。
在比测期间由北碚水文站的水文技术人员严格遵照其操作方法来完成比测资料的收集，因此可以认定比测资料是准确可靠的。
同时根据上述比测内容统计来看，整个比测期的资料基本反映了全年各项相关水文要素的变化范围，具有较高的代表性，其适用性也得到一定的验证。
五、精度分析（水位、流速、流量、面积、含沙量）及指标流速的建立
5．1、水位
Argonaut-SL500利用超声波垂直波束直接测量水位，并与测速同步，每300秒显示一个平均水位，站上现有正式投产的中澳自记水位计也连续不断的实测水位过程，由于施测的时间间隔不一样，进行分析时，我们选取每日8、20点的同时水位和三个典型洪峰过程共计371对数据进行比较，洪峰过程分别为：
时段
开始时间
结束时间
开始水位（米）
结束水位（米）
水位变幅
（米）
中澳
SL500
中澳
SL500
1
2005-7-520:
00
2005-7-158:
00
184.74
184.72
179.88
179.89
17
2
2005-7-198:
00
2005-7-258:
00
180.35
180.37
181.19
181.20
13.8
3
2005-8-1920:
00
2005-8-238:
00
182.23
182.23
185.80
185.82
11.4
表1是水位比测数据。
2005年北碚水位比测成果
年
月
日
时
中澳系列
SL500系列
误差
年
月
日
时
中澳系列
SL500系列
误差
2005
4
6
20
177.42
177.41
0.01
2005
7
11
12
192.5
192.5
0.00
2005
4
7
8
177.38
177.37
0.01
2005
7
11
14
191.96
192.12
（0.16）
2005
4
7
20
177.58
177.57
0.01
2005
7
11
15
191.8
191.91
（0.11）
2005
4
8
8
177.66
177.63
0.03
2005
7
11
17
191.33
191.52
（0.19）
2005
4
8
20
177.47
177.46
0.01
2005
7
11
19
191.04
191.07
（0.03）
2005
4
9
8
177.76
177.72
0.04
2005
7
11
23
190.02
190.12
（0.10）
2005
4
9
20
178.07
178.01
0.06
2005
7
12
3
188.96
188.97
（0.01）
2005
4
10
8
177.99
177.95
0.05
2005
7
12
6
187.95
187.99
（0.04）
2005
4
10
20
178.21
178.16
0.05
2005
7
12
8
187.34
187.33
0.01
2005
4
11
8
178.47
178.41
0.06
2005
7
12
11
186.29
186.29
0.00
2005
5
10
20
178.3
178.31
（0.00）
2005
7
12
14
185.25
185.25
0.00
2005
5
11
8
178.16
178.16
0.00
2005
7
12
18
184.18
184.19
（0.01）
2005
5
11
20
178.31
178.30
0.01
2005
7
13
0
183.16
183.23
（0.07）
2005
5
12
8
178.1
178.07
0.03
2005
7
13
8
182.38
182.4
（0.02）
2005
5
12
20
178.23
178.24
（0.01）
2005
7
13
19
181.48
181.49
（0.01）
2005
5
13
8
178.02
178.00
0.02
2005
7
14
0
181.16
181.16
0.00
2005
5
13
20
177.8
177.80
（0.00）
2005
7
14
7
180.57
180.57
0.00
2005
5
14
8
178.21
178.21
（0.00）
2005
7
14
8
180.54
180.54
0.00
2005
5
14
20
178.31
178.31
（0.00）
2005
7
14
9
180.53
180.54
（0.01）
2005
5
15
8
177.9
177.89
0.01
2005
7
14
10
180.56
180.55
0.01
2005
5
15
20
178.03
178.04
（0.01）
2005
7
14
11
180.57
180.56
0.01
2005
5
16
8
177.57
177.57
0.00
2005
7
14
12
180.56
180.55
0.01
2005
5
16
20
177.92
177.92
0.00
2005
7
14
14
180.47
180.47
0.00
2005
5
17
8
177.9
177.89
0.02
2005
7
14
18
180.37
180.36
0.01
2005
5
17
20
178.17
178.19
（0.02）
2005
7
15
1
179.84
179.83
0.01
2005
5
18
8
178.08
178.08
0.00
2005
7
15
3
179.81
179.8
0.01
2005
5
18
20
178.3
178.30
0.01
2005
7
15
4
179.81
179.8
0.01
2005
5
19
8
179.18
179.16
0.02
2005
7
15
5
179.82
179.81
0.01
2005
5
19
20
178.75
178.75
0.00
2005
7
15
6
179.82
179.81
0.01
2005
5
20
8
179.57
179.54
0.03
2005
7
15
8
179.88
179.89
（0.01）
2005
5
20
20
178.74
178.73
0.01
2005
7
15
20
179.73
179.69
0.04
2005
5
21
8
178.99
178.98
0.01
2005
7
16
8
179.63
179.59
0.04
2005
5
21
20
179
179.01
（0.01）
2005
7
16
20
179.35
179.3
0.05
2005
5
22
8
179.22
179.22
0.00
2005
7
17
8
179.93
179.92
0.01
2005
5
22
20
178.75
178.75
0.00
2005
7
17
20
179.41
179.33
0.08
2005
5
23
8
179.24
179.23
0.01
2005
7
18
8
179.81
179.81
0.00
2005
5
23
20
179.11
179.11
0.00
2005
7
18
20
179.35
179.3
0.05
2005
5
24
8
179.12
179.10
0.02
2005
7
19
8
180.35
180.37
（0.02）
2005
5
24
20
179.06
179.06
（0.00）
2005
7
19
14
180.64
180.66
（0.02）
2005
5
25
8
178.72
178.72
0.00
2005
7
19
20
180.68
180.71
（0.03）
2005
5
25
20
178.78
178.78
0.00
2005
7
19
23
181.72
181.61
0.11
2005
5
26
8
179.13
179.12
0.01
2005
7
20
2
182.74
182.69
0.05
2005
5
26
20
178.71
178.72
（0.01）
2005
7
20
7
183.75
183.59
0.16
2005
5
27
8
179.02
179.01
0.02
2005
7
20
8
183.83
183.91
（0.08）
2005
5
27
20
178.7
178.72
（0.02）
2005
7
20
10
184.86
184.96
（0.10）
2005
5
28
8
178.88
178.40
0.48
2005
7
20
12
185.96
185.97
（0.01）
2005
5
28
20
178.78
178.37
0.41
2005
7
20
14
186.97
186.96
0.01
2005
5
29
8
178.9
178.90
（0.00）
2005
7
20
16
188
188.18
（0.18）
2005
5
29
20
178.93
178.44
0.49
2005
7
20
17
189.14
188.85
0.29
2005
5
30
8
179.21
179.2
0.01
2005
7
20
19
190.26
190.09
0.17
2005
5
30
20
179.23
179.22
0.01
2005
7
20
21
191.35
191.13
0.22
2005
5
31
8
179.2
179.18
0.02
2005
7
21
0
192.42
192.32
0.10
2005
5
31
20
178.9
178.40
0.50
2005
7
21
1
192.55
192.6
（0.05）
2005
6
1
8
178.74
178.74
（0.00）
2005
7
21
5
193.07
193.2
（0.13）
2005
6
6
20
179.71
179.72
（0.01）
2005
7
21
7
193.1
193.18
（0.08）
2005
6
7
8
180.86
180.87
（0.01）
2005
7
21
8
193
193.08
（0.08）
2005
6
7
20
181.51
181.54
（0.03）
2005
7
21
11
192.34
192.44
（0.10）
2005
6
8
8
181.38
181.37
0.
升级会员 