ADCP在內(nèi)陸核電廠址水文觀測中的應(yīng)用

劉勇勝，黃程鵬

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

1 概 述

核電工程的水文觀測工作必須嚴(yán)格貫徹國家核電建設(shè)有關(guān)的法令、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，客觀地評(píng)價(jià)廠址區(qū)域的水文特征，為核電廠工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確可靠的水文資料。在核電前期可行性研究階段，應(yīng)全面開展現(xiàn)場調(diào)查、設(shè)立水文觀測站，積累至少一年以上的實(shí)測資料。

傳統(tǒng)的水文測流方法是采用轉(zhuǎn)子式流速儀法測量水流的流速、流向，這種方法只能單點(diǎn)觀測水文數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）即聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是近年來發(fā)展起來的一種用于測量流速流量的聲學(xué)儀器，結(jié)合衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS），能做走航式連續(xù)測量，這給大范圍、動(dòng)態(tài)測流提供了條件，在長江三峽截流（一、二期工程）、廣東北江飛來峽截流等工程都有應(yīng)用。

2 ADCP在重慶涪陵核電廠址水文觀測中的應(yīng)用

2.1 廠址河道概況

重慶涪陵核電廠址（見圖1）位于重慶市涪陵區(qū)南沱鎮(zhèn)上游6.4km的長江右岸，處于三峽水庫常年回水區(qū)，距三峽大壩約450km，至涪陵約24km。

圖1 重慶涪陵核電廠址地理位置圖

廠址專用水文站附近河道河勢及其觀測斷面見圖2。絲瓜磧彎道凹向右岸，為中心角近180°的急彎。兔兒磧及右側(cè)的下絲瓜磧將河道在145m高程以下時(shí)分為三汊。河道橫斷面基本為“U”型，河寬在洪水期一般大于1 000m，最寬約1 700m；枯水期水位在144m以下時(shí)，下絲瓜磧露出，河道狹窄，河寬僅300m左右。

圖2 廠址附近河段河勢圖

2.2 測量控制

2005年6月至2007年8月，測流沿著水文站剖面走航進(jìn)行139次，每月不少于3次，遇洪峰過程增加測次，每年不少于69次。流速測驗(yàn)主要考慮三峽水庫運(yùn)行調(diào)度帶來的影響按水位變化過程布置，測量范圍為右水邊至兔兒壩洲灘頂點(diǎn)（起點(diǎn)距200～1 000m），當(dāng)下絲瓜磧附近測船測驗(yàn)困難（水深小于3m）時(shí)，測驗(yàn)范圍定在右水邊至下絲瓜磧洲灘頂點(diǎn)（起點(diǎn)距200～700m）；當(dāng)清溪場站流量在30 000m3／s以上時(shí)，施測并計(jì)算全斷面流量，兩年共觀測6次。走航式測量時(shí)，結(jié)合河道剖面，利用測船GPS和橫式采樣器（1 000 ml）在起點(diǎn)距200m、280m、360m、440m、520m、600m、700m、800m、900m、1 000m處10線三點(diǎn)法（全斷面時(shí)13線三點(diǎn)法）采水樣進(jìn)行懸移質(zhì)含沙量的測量。詳見圖3。

圖3 測量剖面和測驗(yàn)垂線布設(shè)圖

走航式測量時(shí)，將WHS自容式600kHz型ADCP固定在船舷，避開磁性物質(zhì)，通訊電纜的另一端接在計(jì)算機(jī)串口，根據(jù)河流流速和流量測量的需要，采用適當(dāng)?shù)臏y量軟件。ADCP作走航式測量時(shí)，連接GPS信標(biāo)接收機(jī)。當(dāng)GPS處于信標(biāo)差分狀態(tài)，將GPS RS232串口接到一臺(tái)裝有HYPACK導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)串口上，設(shè)置HYPACK導(dǎo)航軟件參數(shù)，包括選擇坐標(biāo)參數(shù)、串口設(shè)備、航跡測線及共享內(nèi)存輸出選項(xiàng)。HYPACK導(dǎo)航軟件將接收到的GPS位置數(shù)據(jù)輸入ADCP操作軟件，作導(dǎo)航或底跟蹤用。流量計(jì)算邊界半江測流時(shí)定在起點(diǎn)距1 200m，全江測流時(shí)定在起點(diǎn)距1 700 m；流量計(jì)算左邊界系數(shù)采用0.95，左右岸邊流速系數(shù)采用0.7。

2.3 測量結(jié)果與分析

2005年6月至2007年8月，廠址專用水文站涪陵站實(shí)測最大全江流量為47 200m3／s，出現(xiàn)在2005年7月22日9點(diǎn)45分，對應(yīng)的水位為152.01m，平均水深為16.0m，最大水深為22.5m，斷面平均流速為1.61m／s，最大垂線平均流速為2.55 m／s。實(shí)測最小半江流量為2 740m3／s，出現(xiàn)在2007年3月15日10點(diǎn)30分，對應(yīng)的水位為150.51m，平均水深為17.4m，最大水深為24.8m，斷面平均流速為0.13m／s，最大垂線平均流速為0.25m／s。

139次流量測驗(yàn)結(jié)果和上游參證站清溪場站相應(yīng)時(shí)段流量關(guān)系參見圖4。由圖4可知，廠址專用水文站涪陵站流量和清溪場站流量相關(guān)性較好，這和涪陵站與清溪場站之間沒有較大的支流匯入是吻合的；測量嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求，流量和分層流速流向的測量精度均滿足《水文巡測規(guī)范》（SL195－97）要求。

圖4 涪陵水文站～清溪場站流量關(guān)系圖

通過ADCP在重慶涪陵核電廠址水文站觀測中的成功應(yīng)用，說明該儀器可以在其他內(nèi)陸核電廠址的水文觀測中推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法測流相比，ADCP優(yōu)勢明顯。

（1）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法只能靜態(tài)測流，由于測量費(fèi)時(shí)，通常不會(huì)將子斷面劃分得很細(xì)，垂線流速的測量點(diǎn)也不可能很多，所以測得的數(shù)據(jù)量往往很小，只能通過有限垂線和有限測點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)后續(xù)計(jì)算得出斷面流量。ADCP則不同，除了可以定點(diǎn)測流外，還可以做走航式測流，可以從河流任意斷面一側(cè)航行到另外一側(cè)，走航過程中劃分的子斷面?zhèn)€數(shù)遠(yuǎn)比流速儀多，并可將子斷面劃分很細(xì)，即近似積分，垂線流速的測量點(diǎn)也很多，相當(dāng)于多臺(tái)流速儀同時(shí)測量；另外，除了可以測量到細(xì)分到很小的水層單元的流速和流向數(shù)據(jù)外，還能測得船速、水深、河寬和船的航行軌跡，數(shù)據(jù)量大大豐富，并且能立即計(jì)算出河流流量，省時(shí)省力。

（2）ADCP能直接測出斷面的流速剖面，具有不擾動(dòng)流場、測驗(yàn)歷時(shí)短、測流機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在核電廠址經(jīng)歷暴雨洪水等非常時(shí)機(jī)中能夠搶測到寶貴的流速和流量數(shù)據(jù)，體現(xiàn)其快速、靈活和實(shí)效的優(yōu)勢。

2.4 ADCP應(yīng)用中的問題及解決方法

歸納2年來ADCP在重慶涪陵核電廠址以及其他廠址可行性研究階段水文觀測中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，目前ADCP應(yīng)用中的問題按照其測驗(yàn)的流程來劃分，主要有3類問題：硬件問題、測驗(yàn)問題、數(shù)據(jù)處理問題。

2.4.1 硬件問題及解決方法

（1）測船的選擇。我國水文測驗(yàn)在很多情況下通過鐵磁質(zhì)測船進(jìn)行，鐵磁船可能導(dǎo)致ADCP內(nèi)部的磁羅經(jīng)發(fā)生偏差，可能測得的流速數(shù)據(jù)誤差很大。對于該問題，可以利用非鐵磁質(zhì)測船加以解決，比如木船或者玻璃鋼船等。

（2）ADCP的選擇。ADCP型號(hào)眾多，不同的工作頻率決定了其可以測量的最大剖面深度以及分層精度。在重慶涪陵核電廠址，最大實(shí)測水深為29.0m，超過了1 200kHz型ADCP的最大剖面深度（20m）范圍，再考慮到測量精度的問題，選用600kHz型ADCP是合適的。

（3）差分GPS的搭載。當(dāng)存在底沙運(yùn)動(dòng)時(shí)，ADCP就不能準(zhǔn)確的進(jìn)行底跟蹤，測得的底跟蹤速度會(huì)存在偏差，從而影響水體流速和流量的計(jì)算，所以需外接GPS，用以代替底跟蹤，從而準(zhǔn)確計(jì)算水流的流速和流量，這點(diǎn)已經(jīng)在國內(nèi)其他眾多水文測驗(yàn)中得到證實(shí)。由于普通GPS缺乏穩(wěn)定性，建議采用差分GPS代替底跟蹤來測量船速，以便進(jìn)一步提高流量測驗(yàn)精度。重慶涪陵核電廠址附近河段沖淤變化大，最大沖淤變化幅度超過20m，尤其在汛期底沙運(yùn)動(dòng)更加活躍，所以為了測量的精確，搭載了差分GPS進(jìn)行測量，取得了滿意的測量結(jié)果。

（4）回聲測深儀器的搭載。由于ADCP根據(jù)回波強(qiáng)度沿深度變化在河底突起的峰值來識(shí)別河底，故當(dāng)水體含沙量較大的時(shí)候，ADCP無法正確識(shí)別河底和水深。對于該問題，可外接回聲測深儀器加以解決。重慶涪陵核電專用水文站剖面實(shí)測最大斷面平均含沙量為2.71kg／m3（2005年7月22日9點(diǎn)45分），通過搭載回聲測深儀一起測量，有效的避免了含沙量過大帶來的問題，取得了滿意的測量結(jié)果。

2.4.2 測驗(yàn)問題及解決方法

（1）走航式測流和定點(diǎn)式測流的選擇。ADCP按照用途和安裝方式可以分為走航式和定點(diǎn)式兩大類。通常都認(rèn)為走航式測流能測到空間上連續(xù)的豐富的水流流速流向數(shù)據(jù)，能快捷的算出走航剖面的流量。但在走航式測量時(shí)發(fā)現(xiàn)，水流平均流速非常小時(shí)，船速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水流本身速度，流量測驗(yàn)誤差較大，這也與《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》（SL337－2006）要求的“測船以接近或略小于水流速度橫渡”相違背。解決方法是在流速較小時(shí)改走航式為定點(diǎn)式，流速較大時(shí)采用走航式測量可以取得較滿意的測量結(jié)果。

（2）ADCP測驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。在進(jìn)行測量前，需要考慮ADCP盲區(qū)、深度單元尺寸和數(shù)目、脈沖間隔時(shí)間等參數(shù)設(shè)置問題，測驗(yàn)參數(shù)的選擇直接影響到測驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

深度單元尺寸應(yīng)不小于設(shè)備允許的下限，深度單元數(shù)目不應(yīng)超過設(shè)備允許的上限，且深度單元尺寸和數(shù)目的乘積，應(yīng)大于走航剖面的最大水深，否則將不能準(zhǔn)確測量走航斷面的流量。一般深度單元尺寸越小，深度單元數(shù)目應(yīng)相應(yīng)增大；但在含沙量較大的水域，深度單元尺寸不宜設(shè)置過小，否則將導(dǎo)致誤差加大。

脈沖時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)斷面寬窄、水深大小進(jìn)行設(shè)置。盲區(qū)的設(shè)置應(yīng)不小于廠商規(guī)定的最小盲區(qū)，ADCP換能器入水深度應(yīng)根據(jù)實(shí)際測量值確定。

（3）ADCP計(jì)算參數(shù)的設(shè)置。大量ADCP測量經(jīng)驗(yàn)證明，盲區(qū)的流速差補(bǔ)是影響測驗(yàn)精度的重要因素。ADCP測驗(yàn)時(shí)，由于儀器固有的特點(diǎn)，在水面、河底以及左右兩邊近岸區(qū)均存在盲區(qū)，如何確定垂線流速分布模型和岸邊系數(shù)、通過實(shí)測數(shù)據(jù)來插補(bǔ)盲區(qū)的流速流量是測量的重要工作。

在本項(xiàng)目測量時(shí)，有個(gè)別流量測次岸邊系數(shù)采用不當(dāng)，導(dǎo)致流量偏大，改正后正常。在今后的內(nèi)陸核電廠址水文測量中，為了提高測量精度，或者當(dāng)出現(xiàn)測流問題時(shí)，可以通過ADCP測流和流速流向儀的比測，來綜合確定ADCP測驗(yàn)參數(shù)、岸邊系數(shù)、岸邊流速系數(shù)。

離岸距離的確定：記錄下走航終點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，走航終點(diǎn)所垂直對應(yīng)的岸邊點(diǎn)也記錄下經(jīng)緯度坐標(biāo)，將兩個(gè)坐標(biāo)均轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，就可以計(jì)算離岸距。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理問題及解決方法

測驗(yàn)斷面上水流流速較小，水面流速受風(fēng)力影響較大，河底流速受水生物運(yùn)動(dòng)影響較大，因而ADCP測流時(shí)出現(xiàn)一些明顯異常的數(shù)據(jù)。通過分析排除了受風(fēng)力和水生物影響明顯異常的數(shù)據(jù)，然后利用有效水層的數(shù)據(jù)按水流垂線分布規(guī)律進(jìn)行分層流速的擬合，然后重新計(jì)算斷面流量，可以得到較滿意的結(jié)果。

在ADCP內(nèi)業(yè)資料整理中，一般要求處理各條垂線的分層流速數(shù)據(jù)，此時(shí)要注意刪除無用數(shù)據(jù)和偽劣數(shù)據(jù)。由WinRiver回放軟件所產(chǎn)生的ASCII碼文本文件中，表頭內(nèi)容包括用戶設(shè)置的參數(shù)（水深單元尺寸、換能器下盲區(qū)長度、水深單元個(gè)數(shù)等）、當(dāng)前剖面的信號(hào)數(shù)據(jù)（時(shí)間、溫度、有效單元格）、當(dāng)前剖面的平均流速分量、測深數(shù)據(jù)等、跟蹤軌跡數(shù)據(jù)、GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)、流量信息。這些信息中存在虛假深度單元剖面值，也就是儀器將所設(shè)置量程范圍內(nèi)的深度都給計(jì)算出流速剖面值，包括了實(shí)際水深以外區(qū)域的數(shù)值。為了確認(rèn)有效水深內(nèi)的數(shù)值，需要根據(jù)每個(gè)剖面的有效單元格，確定該剖面的所有有效分層單元數(shù)。這些有效分層單元數(shù)的流速和流向數(shù)據(jù)是有效的，其他都是無用數(shù)據(jù)和偽劣數(shù)據(jù)，應(yīng)予以刪除。

2.5 利用ADCP測量內(nèi)陸核電廠址河段懸沙濃度分布剖面的展望

本次河段懸沙濃度的測量采用的是傳統(tǒng)的水樣本方法，即利用橫式采樣器在若干代表垂線上，泊船分層采集水樣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析后推算整個(gè)斷面的含沙濃度，其局限性是工作量大，耗資巨大，且只能獲得單點(diǎn)懸沙濃度數(shù)據(jù)，在剖面上的同步較差、數(shù)據(jù)的空間分辨率較低。

懸沙濃度的觀測還有另外一種方法，即先進(jìn)聲學(xué)儀器觀測法。為測定流速而設(shè)計(jì)的ADCP，除了可獲得三維的流速剖面數(shù)據(jù)外，其輸出數(shù)據(jù)中還含有聲學(xué)的濁度或懸沙濃度信息，其測量結(jié)果可達(dá)到專用懸沙測量儀器的精度。自20世紀(jì)90年代以來，利用ADCP聲波的背向散射強(qiáng)度進(jìn)行河流段面的懸沙濃度的估測，取得了不錯(cuò)的效果。當(dāng)然，由于受泥沙粒徑、水中微生物、氣泡等多種因素的影響，不同內(nèi)陸核電廠址附近河道往往具有特定的聲學(xué)特性剖面，其聲學(xué)特性一般要通過現(xiàn)場實(shí)測獲得。在實(shí)際運(yùn)用中，同時(shí)采用傳統(tǒng)的6點(diǎn)取水樣本法和ADCP背散射測定法進(jìn)行不同水情下的懸沙濃度測量，進(jìn)行背向散射強(qiáng)度與含沙量之間的率定與比較，建立它們之間的關(guān)系。ADCP背向散射強(qiáng)度與含沙量濃度關(guān)系的標(biāo)定大都采用線性回歸的方法或者分段線性回歸方法，對特定的觀測系統(tǒng)建立特定的回歸模型，從而得到水體懸沙濃度分布剖面。

采用先進(jìn)聲學(xué)儀器觀測法測得的懸沙濃度空間上連續(xù)，對于提高核電廠址可行性研究階段岸灘穩(wěn)定性和溫排水、低放廢水?dāng)?shù)模計(jì)算、物模試驗(yàn)的精度大有幫助，在今后內(nèi)陸核電廠址水文觀測中可以嘗試運(yùn)用，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié) 語

ADCP是一種先進(jìn)的水文測量設(shè)備，對水體進(jìn)行剖面測量無干擾，測量工作量小，可用走航式測量計(jì)算流量，用聲波的背向散射強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)回歸處理得到水體懸浮泥沙濃度剖面，因此ADCP在內(nèi)陸核電廠址水文觀測中有廣泛的應(yīng)用前景，特別在復(fù)雜的地形、水文條件（如暴雨洪水時(shí)）下具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然ADCP在不同內(nèi)陸核電廠址水文觀測中的應(yīng)用方式、測驗(yàn)參數(shù)的選擇、計(jì)算參數(shù)的確定、后續(xù)數(shù)據(jù)的處理都會(huì)有所不同，應(yīng)具體問題具體分析，以提供符合精度要求的水文觀測數(shù)據(jù)。