走航式ADCP技術在測流中的應用

于 澤

（松遼委水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江 撫遠 156500）

0 引言

水文站流量測驗是水文工作者的重要任務之一，使用聲學多普勒測流剖面儀測河流流量是一項先進的技術，在測流期間應用效益極高。聲學多普勒剖面流速儀ADCP（Acoustic Dopplcr Current profilers的簡稱），它是利用聲學多普勒原理研制的，河流流速、流量實時測量設備。它利用超聲波多普勒頻移的物理原理，以很高的分辨率測量水流的瞬時流速，同時測量河流深度或河寬度，從而直接計算出河道的斷面流量。

1 工作原理

從原理上講，ADCP利用聲學多普勒效應進行測流，通過利用換能器發(fā)射一定頻率的聲波，該聲波在接觸到水體中懸浮顆粒物質散射回來的聲波信號，懸浮顆粒物質隨水體流速影響而飄移，從而產生多普勒頻移，由換能器發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差測算水流速度。走航式ADCP進行走航流速剖面測量，這時測得的“速度”是船速和水流速度的矢量和，去掉船速得到的才是真正的流速。因此采用“底跟蹤”技術。ADCP底跟蹤技術是通過信號的接收和處理和的回波信號，跟蹤測船相對于河底的運動速度（即船速），從而可知流速實測值。

ADCP裝有4個換能器，每個換能器都與聲學多普勒剖面流速儀的軸線構成一定的夾角，所測到的水流速實際上是水流沿其聲束坐標方向的速度，需要借助聲學多普勒剖面流速儀上的羅盤和傾斜儀，才能把相對于其坐標系上的三維流速轉換成地理坐標下的三維流速。每個換能器都具有發(fā)射和接收功能，換能器發(fā)射一個聲波，而后一直等待接收該聲波被水中的懸浮顆粒物質散射回來的聲波。假定顆粒物的運動速度與水流速度相同，當顆粒物的運動方向是接近換能器時，此時換能器收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高，反之當顆粒物的運動方向是背離換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率低，發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差（即聲學多普勒頻移）由式（1）計算：

式中：Fd為聲學多普勒頻移；F為發(fā)射波頻率；V為顆粒物沿聲束方向的移動速度（即沿聲束方向的水流速度）；C為聲波在水中的傳播速度。

與傳統(tǒng)流速儀相比，ADCP可以測量其距離一定范圍內的多點流速，則一臺ADCP可以替代多臺傳統(tǒng)流速儀進行同時工作。

2 實際應用

2.1 撫遠水文站概況

撫遠水文站位于撫遠縣境內，撫遠縣地處黑龍江、烏蘇里江交匯的三角地帶。東、北兩面與俄羅斯隔黑龍江、烏蘇里江相望,南鄰饒河，西接同江。

2.2 走航式ADCP的應用

傳統(tǒng)的流速儀測流量的方法是在測流斷面上布設多條垂線，在每條垂線處測得水深，從而獲得斷面面積，再用流速儀測得各點流速，從而得到垂線平均流速。由于撫遠站江面較寬，流量測驗期間ADCP采用走航式有線連接模式進行流量測驗，將ADCP儀器的水下?lián)Q能器垂直固定在測船上。當測船從測流斷面某岸航行到彼岸時，即可采集到計算流量所需的全部數據，包括河流深度和寬度、實測流量、水流速度和儀器在河流中的水平位置，該位置是通過使用底跟蹤技術對河底的速度測量算出的。它的突出特點是能測出垂直于航線的流速分量：流量的測量結果不受選用的航線影響，可以選取垂直航線，斜航線。因此降低了人工駕駛測船航跡產生的誤差，從而大大方便了流量測驗作業(yè)。

2.3 測船性能及儀器設備參數設置說明

撫遠水文站洪水期間流量測驗的測船采用鋁制，4.5 m（長）×1.5 m（寬）的沖鋒舟，機器采用YAMAHA48，吃水深度0.30 m，行駛速度穩(wěn)定，便于測流作業(yè)。儀器使用ADCP一套，儀器是美國RD Instruments公司生產的走航式聲學多普勒剖面儀。流量測驗期間采用有線連接模式、類型頻率為瑞江600 kHz，ADCP的換能器，入水深度為0.45 m適宜。當風浪較大時候，ADCP數據穩(wěn)定，不會出現丟底現象，使測驗結果數值準確有效。在短期測驗中，一般選取WinRiver缺省的系數，或規(guī)范規(guī)定的系數，但是當長期在一個固定斷面上測流，宜與流速儀測驗結果建立邊部流量相關關系，確定該斷面的邊部流量系數。撫遠水文站通過對比分析求得左右岸邊流量系數約為0.70。底、頂部流量估算方法：冪函數（0.1667），岸邊數據組10，采用底跟蹤模式。測船上裝載筆記本，蓄電池，電子測距儀等。流量穩(wěn)定時，進行2個測回斷面流量測驗，取均值作為實測流量值。流量測驗作業(yè)嚴格按照《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》進行。

2.4 成果資料

在此次撫遠縣遭受百年一遇的洪水期間，使用ADCP進行了多次流量測驗工作，得出撫遠水文站在洪水期測流斷面最大寬度高達1800 m，最大水深超過19 m，此次洪水期間共完成測流得到有效數據40余次，通過數據整理獲得了高水位期撫遠站大斷面圖、水位流量關系曲線圖，以及對洪水的傳播分析等。

3 結語

聲學多普勒剖面流速儀目前廣泛應用在流量測驗中。在洪水期利用ADCP替代傳統(tǒng)的流速儀，既提高了工作效率，又提供及時有效數據，對洪水期分析洪水傳播提供準確的數據支持，為應對防洪抗災工作提供有利條件。此次洪水期間撫遠江段使用ADCP進行全江的流量測驗，得出的數據不但填補了多年來無全江斷面流量數據的空白，也為撫遠水文站的水文工作奠定了堅實的基礎。

[1]林輝勇.聲學多普勒剖面流速儀在河流水文測驗中的應用[J].中國水利，2003（18）.

[2]藍標.曲娟聲學多普勒剖面流速儀ADCP及其在水文測流中的應用[J].氣象水文海洋儀器 2011，28（4）.

[3]SL337-2006，聲學多普勒流量測驗規(guī)范[S].