淺析ADCP測流技術(shù)及使用中應(yīng)注意的問題

高延雄，薛 冰

（河北省廊坊水文水資源勘測局，河北 廊坊 065000）

淺析ADCP測流技術(shù)及使用中應(yīng)注意的問題

高延雄，薛 冰

（河北省廊坊水文水資源勘測局，河北 廊坊 065000）

傳統(tǒng)測流方法手段落后、信息化水平低，不能很好地適應(yīng)新時期水文測報快速、準確、精度高、任務(wù)多的要求。ADCP測流儀器的引進較好地解決了這一問題。作為新的測流儀器具有精度高、速度快、信息化水平高等突出優(yōu)勢。ADCP測流方式、使用方法、適應(yīng)條件與傳統(tǒng)儀器有很大區(qū)別，本文通過分析ADCP測流原理、使用過程中容易出現(xiàn)的問題，提出了ADCP測流中需要注意的各種事項，從而促進ADCP流量測驗工作發(fā)展。

ADCP；測流技術(shù)

1 傳統(tǒng)測流技術(shù)

目前河北省水文系統(tǒng)主要的測流手段有：流速儀法、浮標法、超聲波（雷達槍）法等；主要過河方法有：涉水、纜道、測橋等。傳統(tǒng)的水文測驗一直沿用測深桿或測繩測深，起點距標志牌定位，流速儀或浮標測速，手工計算，測流量前首先需要施測全斷面，再布置測深測速垂線，然后在全斷面各測速測深垂線上施測各測點流速，最后計算出斷面流量。由于人工記數(shù)與計算，計算過程容易出錯。同時，測流準備工作繁瑣，耗費人力資源量大，測流速度慢，功效低。

隨著最嚴格水資源管理制度的落實，不同省市、區(qū)縣對區(qū)域水資源總量控制、出入境水量統(tǒng)一調(diào)度要求越來越高。為適應(yīng)水利發(fā)展需要，河北省積極健全監(jiān)測站網(wǎng)，根據(jù)水資源管理需求在全省范圍內(nèi)進行了測區(qū)劃分，在測區(qū)重要斷面設(shè)置監(jiān)測站點。同時，不斷加強水文測驗工作，開展了測區(qū)監(jiān)測工作，對各測區(qū)內(nèi)出入境河道、閘壩、取排水口、排污口、小河流、小渠道流量進行巡測。

通過多年運行，測區(qū)監(jiān)測工作取得了很大成績，但由于監(jiān)測設(shè)施不健全，監(jiān)測設(shè)備落后，測區(qū)監(jiān)測工作大大增加了一線水文職工的工作量和工作強度。目前測區(qū)監(jiān)測工作仍存在監(jiān)測站點不足、監(jiān)測頻次低、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性低、監(jiān)測人員少、監(jiān)測能力不足等問題，仍然滿足不了最嚴格水資源管理制度越來越高的要求。隨著時代的發(fā)展，水文工作對測驗精度、測驗速度要求也越來越高，對測流、計算、發(fā)報的速度要求越來越快，基層水文測站中巡測站點將越來越多，目前的傳統(tǒng)測流手段已不能滿足現(xiàn)實要求。

2 ADCP測流技術(shù)

ADCP全稱為Acoustic Doppler Current Profilers，即聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種測流設(shè)備。它利用多普勒效應(yīng)原理進行流速測量。ADCP因其原理的優(yōu)越性，突破以傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中分布不均勻的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號，經(jīng)測定多普勒頻移而測算出流速。ADCP具有能直接測出斷面的流速剖面、具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點。目前被廣泛用于海洋、河口的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測驗。

廊坊水文局近幾年引進的主要是美國RDI公司（亞迪儀器公司）生產(chǎn)的“瑞江”牌ADCP?！叭鸾盇DCP常用的主要有兩種頻率1200kHz和600kHz，表1列出了這兩種頻率ADCP系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。

表1 ADCP技術(shù)參數(shù)

該ADCP主要有以下優(yōu)點：

（1）采用了RDI公司的寬帶信號處理專利技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用，在保證精度的前提下，提高了流速測量的空間和時間分辨率。

（2）測量剖面深度范圍大。例如600kHz ADCP，其測量剖面深度范圍可以從0.7～75m（注：剖面深度與含沙量及單元長度有關(guān)）。1臺600kHz的ADCP即可適用于大部分河流的水深情況。

（3）對較高含沙量河流適用性較好。高含沙量意味著水體對聲波能量的吸收增強。這時需要采用較低頻率的系統(tǒng)才能達到較大的剖面深度和保持底跟蹤。然而一般低頻系統(tǒng)分辨率較低。由于采用了寬帶信號處理專利技術(shù)，RDI較低頻率的系統(tǒng)（600kHz）在較高含沙量情況下具有較好的穿透性，并且分辨率較高。

（4）“瑞江”1200kHz和 600kHz ADCP 有標準和淺水兩種工作模式。標準工作模式適應(yīng)范圍大，應(yīng)用于大多數(shù)情況。然而在水很淺、流速很低情況下，采用淺水工作模式可以有效地提高測量精度。

（5）“瑞江”1200kHz和 600kHz ADCP 采用 12V蓄電池供電，十分方便。

采用ADCP測量河道流量時，只需要2個人就能完成，一人操作計算機，一人操作ADCP過河，寬100m的河道大概10min就能測一個來回，能立即計算出結(jié)果，從測量到發(fā)報僅需20min就能完成，而且精度很高。廊坊水文局北運河斷面采用ADCP測流時，電腦生成的各種數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1～圖3。

圖1 斷面流速分布情況

圖2 ADCP過河航跡及水流速度

圖3 實測流量結(jié)果

3 ADCP優(yōu)勢

（1）測量速度快，可以進行斷面準同步測量。

（2）可以體現(xiàn)三維流速流向情況。

（3）能自動消除各種外界因素的影響，還具有對數(shù)據(jù)資料進行評判的能力，可以對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量進行鑒別，避免不合理數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)處理而影響測量數(shù)據(jù)精度的現(xiàn)象出現(xiàn)。

（4）ADCP利用聲波作為傳感器，不但操作快速方便，而且測量時不干擾水流，可以直接測量流速斷面，適合各種環(huán)境測量。

（5）ADCP能夠在測量流速剖面的同時測量懸浮物濃度剖面，是研究泥沙遷移規(guī)律及計算輸沙率十分有效的工具。

（6）ADCP可以施測出卵石（且主河槽卵石較大）河床中卵石間的過隙流量，這是用流速儀等傳統(tǒng)測流儀器無法達到的，因而也使其測驗成果更加精確。

4 ADCP使用情況

ADCP從20世紀90年代中期開始在我國南方大江大河主要水文站使用，在快速測流中發(fā)揮了一定作用，但是每套ADCP價格達100多萬元，產(chǎn)品性能不太穩(wěn)定，影響了其推廣使用。近年來，隨著產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，價格大幅度下降，國家有關(guān)ADCP規(guī)范也陸續(xù)出臺，為ADCP推廣使用打下了良好基礎(chǔ)。隨著新時期對水文測驗要求的不斷提高，長江水利委員會、黃河水利委員會及沿海部分省區(qū)的一些主要水文站開始大量使用ADCP。廊坊水文局于2010年開始使用ADCP進行水文測驗，運行幾年來，測流近1000測次，效果良好，在使用ADCP過程中多次與流速儀測流進行比測，誤差未超過5%，具有很好的精確性和穩(wěn)定性。該儀器的投入使用大大減輕了人工測流強度，增加了測流人員的安全性，具有測量精度高、快速、高效、省時、省力等優(yōu)點。特別是在廊坊市2011年引黃測流及2012年“7·21”洪水測驗中發(fā)揮了巨大作用，極大地減輕了一線水文職工勞動強度，提高了工作效率。

5 使用ADCP應(yīng)注意問題

5.1 問題

通過近年的使用，發(fā)現(xiàn)ADCP測流不是萬能的，在使用過程中也出現(xiàn)了一些問題。例如，2012年8月初唐山暴雨洪水期間，廊坊水文局曾派出技術(shù)人員冒雨攜帶ADCP支援兄弟局工作，但在測流過程中由于洪水湍急、波浪巨大、漂浮雜物繁多、洪水過度渾濁，測流工作開展很不順利，測流結(jié)果也存在較大誤差。同時，技術(shù)人員在使用過程中還發(fā)現(xiàn)在ADCP數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理方面存在以下問題：①測回超限問題，有的測次半個測回超限；有的測次一個測回甚至兩個測回都超限。②處理軟件計算錯誤問題，因處理軟件的不完善造成的計算問題，出現(xiàn)一些測次的某一半測回平均水深計算錯誤，導(dǎo)致整個測次的平均水深計算結(jié)果不正確。因此，在使用ADCP過程中，還需要技術(shù)人員認真研究ADCP工作原理，及時發(fā)現(xiàn)使用過程中出現(xiàn)的問題，并逐步加以解決。

5.2 解決方法

（1）把握好測流時機。當河道剛漲水時雜物多、含沙量高、波浪大，極易造成ADCP被撞翻滾，這時就不易采用ADCP。否則，容易造成儀器損壞，而且這樣的條件下測驗精度也不高。所以要在水勢比較平穩(wěn)、雜物少的時候施測。

（2）選擇適合的斷面。ADCP一般適用于大江大河、水庫、閘壩等水流穩(wěn)定、含沙量均較小的斷面。對山洪多發(fā)、急漲急落、雜物太多、含沙量太高的斷面測流效果不太好。例如，含沙量太大影響聲波的穿透力，造成信號強度不夠，測驗誤差較大。

（3）做好資料分析整理。ADCP流量測驗成果還不能完全滿足水文測驗整編的要求，軟件計算方面有時會出現(xiàn)錯誤，技術(shù)人員要認真學(xué)習(xí)ADCP測驗規(guī)范和有關(guān)ADCP流量資料整編規(guī)范，切實做好資料分析和整編。另外，一些水文整編成果表中需要的數(shù)據(jù)不方便在ADCP數(shù)據(jù)文件中提出，可以通過開發(fā)軟件自動提出或者人工提出。

（4）處理好輸沙率監(jiān)測。一些測站需要施測輸沙率，這時可以用ADCP定點測流速并同時取沙，就能解決這個問題。在常年過水的站，積累足夠的資料可以分析采用一些其他方法，比如全斷面混合法取沙。

（5）加強ADCP維護保養(yǎng)。發(fā)揮ADCP的各種優(yōu)勢，平時做好維護保養(yǎng)十分重要。技術(shù)人員要嚴格執(zhí)行操作規(guī)范，平時還要注意以下問題：使用、運輸過程中要注意防止碰撞，以免震壞換能器及內(nèi)部元件；換能器面不能壓在硬物上，也不能長期受太陽光照射；每次使用后要清洗擦干ADCP表面；插好ADCP上的插頭后，要鎖好鎖圈，而在拔下插頭前，一定要先松開鎖圈；電池不用的時候也要定時充放電。

［1］黃河寧.ADCP河流流量測量原理和方法［R］.2002.

［2］姚章民.聲學(xué)多普勒水流剖面儀在河流流量測量中的應(yīng)用［J］.人民珠江，2002（6）.

［3］GB50179—93，河流流量測驗規(guī)范［S］.

［4］水利電力部水利司.水文測驗手冊［K］.北京：水利出版社，1980.

［5］SL337—2006，聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范［S］.

Analyses of ADCP Technology in Flow Measurement and Problems

GAO Yan-xiong，XUE Bing
（Hebei Province Langfang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Langfang 065000,China）

the traditional flow measuring methods is lagging behind and the level of information is low,it can’t meet the requirements of hydrological telemetry in new period.As a new flow measured instrument with outstanding advantages of high precision,high speed and higher information level,the ADCP technology can solve this problem.There is very different in flow measured mode,using method and adaptive conditions between the ADCP technology and the traditional flow measuring methods.This paper analyzes the flow measured theory of ADCP technology and problems are easy to appear in using process,the points for attention are proposed in the ADCP flow measurement,and it will be promoted the development of ADCP flow test work.

ADCP;flow measured technology

P332.4

B

1672-9900（2014）04-0058-03

2014-05-28

高延雄（1971-），男（漢族），河北廊坊人，高級工程師，主要從事水文水資源工作，（Tel）18031610199。