走航式adcp流量测验的主要误差来源及其控制方法

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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（AcousticDopplerCurrentProfiler，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。一方面，ADC

2、P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[3][4][5]。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），它包含

3、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]

4、计算断面流量，走航式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）式中：X’Q——总随机不确定度，%；X’m——断面流速剖面数目的随机不确定度，%；X’e——单元观测历时的随机不确定度，%；X’p——剖面流速分布的随机不确定度，%；X’c——仪器检定随机不确定度，%；X’d——测深随机不确定度，%；X’b——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。因走航式ADCP流量测验，m较大，公式2-1可简化为8（2-2）2.2总系统不确定度：（2-3）式中：X”Q—

5、—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）式中：XQ——总不确定度，%；X’Q——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X’p就较为复杂，它包含了“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ADC

6、P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

7、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

8、载体（测船或浮体）的横渡