走航式ADCP在唐徠渠流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用初探

蘇笑曦

（寧夏唐徠渠管理處 寧夏 銀川 750001）

寧夏引黃灌區(qū)歷年來(lái)在流量信息采集方面一直沿用著傳統(tǒng)的流速儀測(cè)流和建筑物測(cè)流方法。隨著電子科技高速發(fā)展，聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)的發(fā)明并投入到流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域是流量測(cè)驗(yàn)的一次革命，這些儀器是近年來(lái)國(guó)際上流行的一種新型測(cè)流儀器（分為：走航式ADCP和固定式ADCP）。根據(jù)其工作原理，通常譯為“聲學(xué)多普勒流速剖面儀”(Acoustic－聲學(xué)、Doppler－多普勒、Current－流速、Profiler－剖面儀,)簡(jiǎn)稱ADCP。

由于ADCP是由計(jì)算機(jī)控制操作，具有操作便捷、測(cè)驗(yàn)時(shí)間短、分辨率高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠精度好、資料完整、信息量大等特點(diǎn)，特別適合于流態(tài)復(fù)雜條件下的測(cè)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的流速儀相比具有更高的測(cè)驗(yàn)效率，是目前世界上最為先進(jìn)的河流流速流量實(shí)時(shí)測(cè)流設(shè)備。近兩年在唐徠渠測(cè)流探索應(yīng)用中與傳統(tǒng)流速儀測(cè)流進(jìn)行了對(duì)比，為此對(duì)ADCP的應(yīng)用談一點(diǎn)粗淺的認(rèn)識(shí)。

1 ADCP測(cè)流系統(tǒng)的組成及聲學(xué)多普勒原理

ADCP測(cè)流系統(tǒng)主要由ADCP流速剖面儀及測(cè)船、換能器（4個(gè)探頭）、計(jì)算機(jī)操作軟件系統(tǒng)及連接設(shè)備等3個(gè)主要部分組成。其中計(jì)算機(jī)操作軟件由Winriver軟件和自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件組成，Winriver軟件主要用于采集數(shù)據(jù)，自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)Winriver軟件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析和整理得到流量、流速、流向、水深、水溫、坐標(biāo)等信息。

從理論上講，用ADCP進(jìn)行流量測(cè)量的原理與傳統(tǒng)測(cè)量方法的原理是相同的，都是在測(cè)流斷面上測(cè)出多條垂線的水深和流速，從而計(jì)算出流量。ADCP配有四個(gè)換能器，換能器與ADCP軸線成一定夾角，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器，換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物反射回來(lái)的聲波。ADCP相當(dāng)于在每個(gè)子斷面內(nèi)各測(cè)量垂線上有多個(gè)流速儀同時(shí)測(cè)速、測(cè)深，從而得到了斷面的平均流速和流量，然后疊加得到整個(gè)斷面流量。

2 ADCP與傳統(tǒng)流速儀的比較

2.1 流速測(cè)量比較

傳統(tǒng)流速儀是單點(diǎn)式測(cè)量?jī)x器，無(wú)論是用什么原理測(cè)流，當(dāng)它被布放在某一深度層時(shí)，都只能測(cè)出該層的流速。ADCP是一種“剖面儀”，該儀器的特點(diǎn)是測(cè)速范圍大，在水面上（換能器入水深度0.05m），它能測(cè)出該儀器所處位置的垂直剖面，即多個(gè)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)該稱之為多點(diǎn)測(cè)量（即剖面）儀器。據(jù)資料查閱，在一個(gè)垂直剖面上最大的測(cè)點(diǎn)數(shù)可達(dá)128個(gè)，因此，布設(shè)一臺(tái)ADCP成果相當(dāng)于使用多臺(tái)（可多達(dá)128臺(tái)）單點(diǎn)測(cè)流儀。

2.2 流量測(cè)量比較

傳統(tǒng)流速儀測(cè)量方法是在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線，在垂線處測(cè)量水深以獲得斷面面積，繼而再用流速儀測(cè)量單點(diǎn)或是多點(diǎn)的流速，計(jì)算得垂線平均流速，進(jìn)而獲得斷面平均流速。該方法的流量由斷面面積乘以斷面平均流速得到。這種傳統(tǒng)方法費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低。ADCP測(cè)流時(shí)，ADCP裝在測(cè)船上，當(dāng)測(cè)船從測(cè)流斷面一側(cè)航行至另一側(cè)時(shí)，ADCP即刻就能測(cè)出流速剖面和流量，測(cè)驗(yàn)耗時(shí)少，效率高。

2.3 測(cè)點(diǎn)數(shù)比較

傳統(tǒng)流速儀測(cè)流中的“測(cè)點(diǎn)”數(shù)有限，一般一個(gè)測(cè)流斷面只設(shè)5條～12條測(cè)線，每條測(cè)線測(cè)出1個(gè)～3個(gè)不同深度上的流速。ADCP則在測(cè)船航行過(guò)程中的采樣率很高，即可以測(cè)到非常多的“測(cè)點(diǎn)”，而在每個(gè)“測(cè)點(diǎn)”上可以測(cè)到幾十個(gè)不同深度的流速值，實(shí)際上它是用積分的方法求出的，因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量上保證率較高。

2.4 測(cè)流斷面比較

傳統(tǒng)流速儀測(cè)流時(shí)要求流速儀垂直于測(cè)流斷面。ADCP與測(cè)流斷面的關(guān)系不作要求，測(cè)船航行的軌跡可以是斜線或曲線，機(jī)動(dòng)靈活，這大大地方便了施測(cè)作業(yè)。

2.5 測(cè)流歷時(shí)比較

以二農(nóng)場(chǎng)渠口測(cè)流為例（測(cè)點(diǎn)已布設(shè)），傳統(tǒng)流速儀一個(gè)測(cè)次需30min～40min才能得出一個(gè)流量值。ADCP據(jù)美國(guó)地理調(diào)查局規(guī)定，每個(gè)流量值至少要進(jìn)行4個(gè)測(cè)次（即兩個(gè)來(lái)回，在4次測(cè)量中任一一個(gè)數(shù)值與平均值之差均小于5%），僅需15min～20min，并能在數(shù)據(jù)整理中將偏差值標(biāo)示，精度和自動(dòng)化程度較高。

3 影響ADCP測(cè)流精度的原因分析

使用ADCP在唐徠渠干支渠流量測(cè)驗(yàn)中，主要校測(cè)了有多年測(cè)量資料的測(cè)流斷面流量，如三棵樹、王家灣子、良田渠、大新渠、新橋、八一橋、二農(nóng)場(chǎng)渠口、分水閘、暖泉渠、公路橋等；經(jīng)過(guò)整理比較、分析數(shù)據(jù)，ADCP測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。ADCP屬精密儀器，操作規(guī)范要求高，如使用時(shí)換能器不能碰在硬物上、不能長(zhǎng)期受太陽(yáng)光照射、亦不能長(zhǎng)時(shí)間浸泡于水中；不足的是ADCP是固定的，小流量渠道測(cè)量時(shí)操作不便，而且箱體笨重也不易攜帶。結(jié)合測(cè)流過(guò)程和整理數(shù)據(jù)，直觀的認(rèn)為影響ADCP測(cè)流精度有以下幾方面原因。

3.1 受水流流速的影響

如果水流速快、水面有波浪，換能器有可能露出水面和發(fā)生空蝕，影響數(shù)據(jù)采集，測(cè)量過(guò)程間斷；再就是發(fā)生ADCP傾翻的現(xiàn)象，如在新橋測(cè)流，當(dāng)時(shí)水位2.56m，最大流速1.65m/s，ADCP被操控到渠中心時(shí)，有兩次被水流沖擊晃動(dòng)至傾翻，致使測(cè)流中斷。

3.2 受船速的影響

船速越慢，精度越高，一般船速不超過(guò)水流最大速度。特別是起步時(shí)船速一定要平穩(wěn)，不能突然加速或讓ADCP來(lái)回晃動(dòng)，這一點(diǎn)猶如開汽車起步時(shí)不能顫動(dòng)。在實(shí)際操作中經(jīng)常會(huì)遇到，特別是水流速度較小時(shí)，對(duì)提高精度尤為重要。

3.3 受岸邊距的影響

由于作業(yè)船不能緊靠岸邊測(cè)驗(yàn)，ADCP不能測(cè)出近岸邊的流速和流量，開始及結(jié)束測(cè)量的岸邊，船需停留片刻，以便獲得用于計(jì)算岸邊流量的10個(gè)有效數(shù)據(jù)。岸邊距大小的控制，對(duì)ADCP采集10個(gè)有效數(shù)據(jù)至關(guān)重要，岸邊距過(guò)大，岸邊流量的推算就存在一定的偏差；岸邊距過(guò)小，采集不夠10個(gè)有效數(shù)據(jù)，需要測(cè)船反向移動(dòng)，不僅影響ADCP正常測(cè)流，對(duì)岸邊流量的推算也有一定的影響。而我們?cè)跍y(cè)流過(guò)程中岸邊距大多是目測(cè)或用鋼尺測(cè)量，偏差是不可避免的。

3.4 受渠床條件的影響

渠道襯砌與否也直接影響著測(cè)流結(jié)果，如在暖泉渠測(cè)流時(shí)，分別在測(cè)流斷面處（襯砌）和斷面下游（渠坡長(zhǎng)有雜草）測(cè)量，同一水位測(cè)得兩個(gè)結(jié)果（見(jiàn)圖1、2）。

3.5 受動(dòng)底和水流條件的影響

渠床內(nèi)有流沙或滾石的地方或產(chǎn)生渦流時(shí)，數(shù)據(jù)采集中就會(huì)出現(xiàn)空白段，此處的流速需通過(guò)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)外延來(lái)估算，致使測(cè)量精度降低。如在四號(hào)橋上游的兩次測(cè)量，水位（分水閘）0.58m；水位1.61m（見(jiàn)圖 3、4）。

4 ADCP在渠道流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用前景

運(yùn)行Window軟件的ADCP操作十分方便，在測(cè)量的過(guò)程中，流速、流向、流量、渠道斷面等參數(shù)清晰地在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，非常直觀；同時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，可以進(jìn)行各種必要的后處理作業(yè)。由于ADCP提供的水位～流量關(guān)系數(shù)據(jù)可靠、成果代表性高，自動(dòng)化程度高，這將大大提高水量計(jì)量精度，減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，但其價(jià)格昂貴，或可將其申報(bào)列入灌區(qū)續(xù)建配套或水權(quán)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目得以解決。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀，對(duì)于流量測(cè)驗(yàn)工作來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一項(xiàng)革命性的先進(jìn)技術(shù)，相信在不久的將來(lái)，它會(huì)在寧夏引黃灌區(qū)獲得十分廣泛的應(yīng)用。陜西水利