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关于提高走航式ADCP流量测验精度的探讨.doc
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。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必威体育精装版的相控阵换能器等;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。
ADCP流量测验,m较大,公式2-1可简化为
(2-2)
2 总系统不确定度:
(2-3)
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,%。
3 总不确定度:
(2-4)
式中: X Q ——总不确定度,%;
X’Q ——总随机不确定度,%;
X”Q——总系统不确定度,%。
2-1、2-2中X’p
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 %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小程度,仍然会因其它方面存在
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