聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)在長(zhǎng)江河道水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用推廣

摘要：ADCP在長(zhǎng)江河道工程及非工程水文測(cè)驗(yàn)中的使用日益頻繁，測(cè)驗(yàn)技術(shù)日趨成熟，資料的處理技術(shù)上也見(jiàn)仁見(jiàn)智。本文闡述了ADCP使用中遇到的一些技術(shù)問(wèn)題及處理方法，內(nèi)容包括外接羅經(jīng)的使用、外接GPS的使用、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。

關(guān)鍵詞： ADCP水文測(cè)驗(yàn)外部羅經(jīng)數(shù)據(jù)處理流速流向計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TV2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2012)02(c)-0000-00

1特點(diǎn)介紹

船用多功能聲學(xué)多普勤流速剖面儀（簡(jiǎn)稱(chēng)多功能ADCP或MADCP）主要功能是測(cè)量三維流場(chǎng)剖面，同時(shí)還兼有測(cè)量懸浮泥沙濃度的功能，主要應(yīng)用領(lǐng)域是海洋監(jiān)測(cè)，環(huán)境保護(hù)，海洋開(kāi)發(fā)和航道建設(shè)等方面。 ADCP被公認(rèn)是當(dāng)今最主要的測(cè)流手段。多功能ADCP采用專(zhuān)用學(xué)多普勤原理，用聲波遙測(cè)水流的速度，對(duì)流場(chǎng)不產(chǎn)生干擾，而且能夠在航行過(guò)程中測(cè)量流速剖面，可快速地獲得一個(gè)水域的流場(chǎng)斷面。與常規(guī)的單點(diǎn)式海流計(jì)相比，具有測(cè)量精度高，快速，高效，省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)。多功能ADCP采用了寬帶和窄帶兩種測(cè)流技術(shù)，能適應(yīng)各種復(fù)雜的流場(chǎng)。多功能ADCP能夠在測(cè)量流量速剖面的同時(shí)測(cè)量懸浮物濃度剖面，是研究泥沙遷移規(guī)律，計(jì)算輸沙量的十分有效的工具。在國(guó)際上未見(jiàn)有相似器的報(bào)道，具有獨(dú)創(chuàng)性。多功能ADCP的操作軟件是完全中文界面的，更加適合中國(guó)用戶，運(yùn)行于視窗環(huán)境，界面友好，使用方便。

經(jīng)長(zhǎng)期的比測(cè)，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我省十三個(gè)河段近兩年的水文測(cè)驗(yàn)以及過(guò)去的資料分析，該設(shè)備不但具有能直接測(cè)出斷面流速，具且有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)。

2 存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)、咨詢(xún)發(fā)現(xiàn)ADCP因其受含沙量、河床流沙和船體等影響較大，使ADCP在一些條件下的使用受到制約，需外接GPS和磁羅經(jīng)，才完全能夠在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

儀器商提供的WinRiver軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但要滿足一些應(yīng)用的要求，該軟件還是存在不足，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題開(kāi)發(fā)一套數(shù)據(jù)后處理軟件。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 外部羅經(jīng)與GPS的使用

在外部磁場(chǎng)干擾下，用外接羅經(jīng)測(cè)定船向時(shí)，羅經(jīng)的安裝與標(biāo)定直接影響測(cè)驗(yàn)的精度。

用外接羅經(jīng)時(shí)，其標(biāo)定分兩步走。第一步是外部羅經(jīng)自身的標(biāo)定，其目的是讓外部羅經(jīng)記錄測(cè)量環(huán)境的磁參數(shù)，即適應(yīng)環(huán)境；第二步是外部羅經(jīng)與ADCP相對(duì)方向的確定，即ADCP正向與羅經(jīng)正向的差角(當(dāng)使用ADCP內(nèi)部羅經(jīng)時(shí)只使用WinRiver軟件中的配合進(jìn)行一次標(biāo)定即可。

其實(shí)，在WinRiver軟件中，將羅經(jīng)角度、羅經(jīng)偏移與磁偏角之和用于儀器坐標(biāo)到船系坐標(biāo)或地球坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，用上述方法時(shí)，是否測(cè)量磁偏角已無(wú)多大意義。而且在WinRiver軟件中回放時(shí)，當(dāng)采用底跟蹤（Btm）方式時(shí)，羅經(jīng)偏移、磁偏角或二者之和僅影響水流方向而不影響流量；當(dāng)采用GGA方式時(shí)，羅經(jīng)偏移、磁偏角主或二者之和不僅影響水流方向還要影響流量。所以如果測(cè)量結(jié)果中住返水流方向值總是相差較大（大于5°），多半是由于羅經(jīng)安裝或標(biāo)定不當(dāng)引起。

3.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

ADCP流量測(cè)驗(yàn)的資料，流量、面積、河寬、斷面平均流速流向、斷面平均水深、斷面最大流速、最大水深數(shù)據(jù)均可從WinRiver回放軟件中直接得出。垂線流速流向數(shù)據(jù)，可在回放界面中人工摘取，處理時(shí)一般用剖面流速代替，產(chǎn)生的差異較小，但對(duì)多個(gè)剖面平均處理時(shí)，WinRiver軟件在平均位置及平均水深處理上不太令人滿意。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，人工挑選工作量大且極為不便，需通過(guò)編制相應(yīng)的軟件進(jìn)行提取和計(jì)算處理。在ADCP數(shù)據(jù)后處理的算法中，根據(jù)資料提交的要求不同，應(yīng)采取不同的算法。后處理的數(shù)據(jù)來(lái)源為WinRiver回放軟件所產(chǎn)生的ASCII碼文本文件。

在垂線流速的提交方式上，有的要求提交ADCP實(shí)測(cè)水層單元的流速，有的要求提交垂線上相對(duì)水深的資料，涉及到的算法也不盡相同。

3.2.1 垂線位置和水深的確定

ADCP原始數(shù)據(jù)中記錄的位置實(shí)際為該剖面的平均位置，一個(gè)剖面的跨越寬度一般為1~5m，在提取數(shù)據(jù)時(shí)垂線水深一般用剖面水深代替，垂線的位置數(shù)據(jù)計(jì)算，將回放輸出的文本文件中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)按高斯正算的方法計(jì)算垂線平面坐標(biāo)。

若使用平均處理策略，則對(duì)水深也進(jìn)行平均處理，起點(diǎn)距的算法有平均算法和中心線法等，平均計(jì)算時(shí)又有算術(shù)平均和加權(quán)平均算法。

3.2.2垂線流速分布函數(shù)的確定

WinRiver軟件支持的流速插補(bǔ)方法有冪指函數(shù)、常數(shù)、三次平滑等，缺省為冪指函數(shù)。雖然冪指函數(shù)與我國(guó)常用的對(duì)數(shù)分布函數(shù)有一定的差別，但軟件中僅將此函數(shù)用于頂層和底層流速的插補(bǔ)計(jì)算，不致產(chǎn)生較大差異，在WinRiver軟件中調(diào)整冪指數(shù)b的值，對(duì)流量影響甚微。

3.2.3 有效數(shù)據(jù)的判別

在回放輸出的ASCII文本文件中，各水層單元的數(shù)據(jù)包括當(dāng)前水層單元的深度、流速值、流向、東向流速、北向流速、垂向流速、誤差流速、波束1反向散射、波束2反向散射、波束3反向散射、波束4反向散射、好的百分?jǐn)?shù)、流量共13個(gè)數(shù)據(jù)。其中流速流向的壞值表示為-32768，反向散射的壞值表示為255，好的面分?jǐn)?shù)壞值為0，流量壞值表示為2147483647。

在提取流速流向資料時(shí)，面臨三種數(shù)據(jù)有效性的判別方法：以單元流量有效為判別條件、以單元流速有效為判別條件或以好的百分?jǐn)?shù)為判別條件，在應(yīng)用時(shí)根據(jù)流速分布情況選取其中一種。

3.2.4 流速流向計(jì)算

當(dāng)垂線流速資料按ADCP實(shí)測(cè)水層單元深度提交時(shí)，可直接從回放后的輸出文件中選取，計(jì)算的步驟是先分別計(jì)算東向、北向的垂線流速分量的分布數(shù)據(jù)，再用矢量合成的方法計(jì)算垂線流速、流向。在計(jì)算各方向的分量時(shí)，垂線平均流速的分量按式4.1計(jì)算，頂層流速的分量按式4.2計(jì)算，頂層流速分量的水深為第一個(gè)有效單元以上部分的中心深度，底層流速分量按式4.3計(jì)算，底層流速分量的水深為最后一個(gè)有效單元以下部分的中心深度，垂線上各水層單元的水深與分量的水深一致，各水層單元的流速為東向分量與北向分量的方和根，按式4.4計(jì)算，流向方位角為東向分量與北向分量比值的反正切值，按式4.5計(jì)算。垂線平均流速流向用垂線平均流速分量參照式4.6和式4.7進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)垂線資料按傳統(tǒng)的五點(diǎn)法或六點(diǎn)法資料提交時(shí)，則需將水層單元流速通過(guò)一定的方法轉(zhuǎn)換為各相對(duì)水深(水面、0.2、0.4、0.6、0.8、河底等位置)處的流速，計(jì)算步驟上仍然是先算分量，再合成，分量計(jì)算的常用做法是：當(dāng)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)水深在實(shí)測(cè)的有效水層范圍內(nèi)時(shí)，用直線內(nèi)插計(jì)算，當(dāng)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)水深位置在實(shí)測(cè)有效水層之外時(shí)，可參照頂層及底層流速的算法推求，也可用式4.6(Vmax采用中間實(shí)測(cè)層的最大流速分量代替)計(jì)算，有時(shí)也直接將實(shí)測(cè)的最上層單元流速作為水面流速，將實(shí)測(cè)的最下層單元流速作為河底流速。水面點(diǎn)的計(jì)算水深一般采用0.2-0.5m，河底點(diǎn)的計(jì)算水深一般采用河底以0.3-0.5m。分量垂線平均流速一般參照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中的公式進(jìn)行計(jì)算。

4 后處理軟件簡(jiǎn)介

ADCP野外測(cè)量快捷方便，WinRiver軟件具備實(shí)用的回放功能，儀器商還提供了一系列的工具軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。雖然如此，要滿足一些應(yīng)用的要求，這些軟件還是不夠的，還需自行開(kāi)發(fā)一些數(shù)據(jù)后處理軟件。我院經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，針對(duì)WinRiver軟件在ADCP測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上的不足，自行開(kāi)發(fā)的ADCP測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件(見(jiàn)圖2)，該軟件是基于VB平臺(tái)下開(kāi)發(fā)，為了提高數(shù)據(jù)的益存性于可比性，故采用數(shù)據(jù)庫(kù)形式處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具備斷面數(shù)據(jù)提取、流量計(jì)算、流速流向提取、輸沙率計(jì)算、泥沙分析數(shù)據(jù)處理等功能，為了保證同一份資料中的流量與流速數(shù)據(jù)的一致性，該軟件選取與WinRiver軟件算法一致的策略。

(圖2)ADCP測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件操作界面

應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，彌補(bǔ)WinRiver軟件數(shù)據(jù)處理上的欠缺之處，使ADCP更加適合長(zhǎng)江河道水文測(cè)驗(yàn)的各項(xiàng)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著ADCP這項(xiàng)新技術(shù)在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用，我們可以切實(shí)體會(huì)到它給我們的工作帶了諸多便捷和高效之處，但在具體應(yīng)用時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，通過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)是可以找到行之有效的解決辦法的，將理論上的研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，才能使ADCP的應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，找到傳統(tǒng)與現(xiàn)代測(cè)驗(yàn)方法的銜接點(diǎn)，這樣ADCP就能夠更好的應(yīng)用于長(zhǎng)江河道水文測(cè)驗(yàn)工作中。

參考文獻(xiàn)

[1] 田淳、劉少華，聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用，黃河水利出版社，2003.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-93

作者簡(jiǎn)介：孔汪洋 男 助理工程師 從事測(cè)繪工作