走航式ADCP用于水文流量測驗的實踐探究

唐衡湘

【摘要】走航式ADCP目前在國內(nèi)水文流量測試過程中較為先進(jìn)的儀器。ADCP的出現(xiàn)，不僅僅突破了流量測驗技術(shù)的關(guān)鍵部分，而且還為測驗水域的含沙量、水域深度以及流動狀態(tài)提供了新的簡潔的方式。本文就ADCP測驗技術(shù)的基本定義及其使用的必要性結(jié)合ADCP的基本原理等對其工作原理和方式進(jìn)行了探討分析，并分析研究了其在水文測驗項目中的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】ADCP；流量測驗；水文測驗

走航式ADCP是目前世界上對河流流量測驗中較為先進(jìn)的設(shè)備，它在進(jìn)行防洪減災(zāi)、堤防工程加固監(jiān)測等工程中起到了明顯的作用。走航式ADCP測量儀器與傳統(tǒng)測水文流速的方法相比具有很多優(yōu)點，因此其在我國水文行業(yè)已逐漸得到明顯的發(fā)展與應(yīng)用，由于發(fā)展時間較短，在使用過程中還存在著許多不足與缺陷，相關(guān)方面的技術(shù)理論知識匱乏，因此需要進(jìn)行多次比測試驗已提高其使用的精度，從而積累較多的實踐經(jīng)驗。根據(jù)現(xiàn)階段的應(yīng)用狀況，我國相關(guān)技術(shù)人員還需要根據(jù)儀器的使用要求，對其進(jìn)行詳盡的了解和探索，進(jìn)而能夠掌握使用技巧，熟練的使用該儀器。

1、研究背景

水文測驗過程中，由于受潮汐和不穩(wěn)定水流的影響，導(dǎo)致流量測驗成為一個難以解決的問題，而流速的多變性使得傳統(tǒng)測驗方式受測流時間限制。為解決這一難題，水文測驗相關(guān)的技術(shù)人員對其進(jìn)行了深入全面的研究，直至二十世紀(jì)八十年代初，隨著第一臺ADCP測驗儀的面世，使得水文測驗中能更準(zhǔn)確的測量流速和流量而不受其他因素的影響成為可能。

我國水利部長江水文局在九十年代初開始了對走航式ADCP儀器的第一次應(yīng)用，使用儀器對長江流域的感潮河段的流量進(jìn)行了初次測驗，這是我國國內(nèi)第一次使用ADCP儀器及首次進(jìn)行內(nèi)河的流量流速測驗。

2、走航式ADCP

2.1 走航式ADCP的基本概念。ADCP是指聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展興起的一種流量測驗儀器。ADCP測流儀能夠直接測驗出水域斷面的流速剖面，且具有能夠不擾動流場、測驗周期短、測驗范圍廣等特點，因而被廣泛應(yīng)用于海洋、河口的流場結(jié)構(gòu)流速流量的測驗等。

2.2 走航式ADCP的作用原理。ADCP是利用多普勒效應(yīng)的原理來進(jìn)行流量和流速的測驗。ADCP突破了傳統(tǒng)機械以轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的傳感流速儀的局限，運用聲波換能器作傳感器來發(fā)射聲脈沖波，然后聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等物體的反射和散射作用，由換能器接收信號，經(jīng)由多普勒頻移而測出流速。

ADCP流量測驗原理與傳統(tǒng)的人工船測，橋測，涉水測量等方法的基本原理相似，都是基于測流斷面在其上設(shè)置多天垂線，在每條垂線處測量水深并測量水的流速從而綜合得到水的平均流速，但不同的是ADCP所測的垂線可以很多，每條垂線上的測驗點也很多。

2.3 數(shù)據(jù)采集。ADCP儀器采用3個波束測得的多普勒頻移來進(jìn)行空間速度的計算。其采樣的結(jié)果集合了若干個子樣，當(dāng)聲脈沖波在水域中傳播時，由于水中存在沙粒、微生物等，會將聲波反射回去形成一系列連續(xù)不斷的低頻回波，從而被ADCP儀器接收，而ADCP中的換能器的聲束發(fā)射裝置裝有接收器和計時裝置，因此能對回波進(jìn)行計算和處理，最終形成所需要的數(shù)據(jù)。ADCP會將不同水層的測驗信息存儲在緩存系統(tǒng)中，等到儀器將所有采樣工作完成后，再將所有的測驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，最終得到一次采樣集合中不同水層的流速信息，然后對該范圍所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，從而計算出豎直方向水深范圍單元中心的流速大小和方向。

3、走航式ADCP在應(yīng)用過程中存在的問題

走航式ADCP儀器的使用雖然在一定程度上提高了水域測量測速的工作效率，增強了水文測驗?zāi)芰?，但在使用過程中還存在著一些不足：在含沙量較高的水域，聲波換能器的回波強度減弱，導(dǎo)致水底的跟蹤與測量水的深度的操作失敗，致使測驗水文的流量流速數(shù)據(jù)不準(zhǔn)；受河床質(zhì)地及船只材料的影響，在進(jìn)行流量測驗過程中，不同的河床水域中所含的溶質(zhì)不同，而聲波換能器所發(fā)出的聲脈沖波對不同物質(zhì)的反射和散射程度不同，這就容易導(dǎo)致?lián)Q能器收集的數(shù)據(jù)有所差別，最終影響測驗的結(jié)果；ADCP在高含沙量的水域中所采用的“零盲區(qū)”技術(shù)使用的是低頻系統(tǒng)應(yīng)用寬帶信號處理專利技術(shù)雖然具有較高的穿透力，并且分辨率較好，但其所使用的指數(shù)流速分布公式對測試流速精度的影響還有待進(jìn)一步檢驗；ADCP的“水跟蹤”技術(shù)在河底流沙量較多時，會失去作用，導(dǎo)致測驗結(jié)果失真。

4、走航式ADCP的優(yōu)點

4.1 測量時采用動態(tài)的方法。相較于傳統(tǒng)的水文測驗過程中測量儀器固定而所采用的靜態(tài)方法，ADCP儀器在測量過程中所采用的是動態(tài)的方式，其在測驗流速和流量時是隨著測量船的運動過程進(jìn)行水域的水文測驗。

4.2 使用過程中耗費時間少。傳統(tǒng)的測驗方式只是在一個河流斷面上設(shè)置少量的測驗垂線，測試少量的垂點，而ADCP儀器所使用的方法則是隨著測量船運行的過程中同時設(shè)立多條垂線并進(jìn)行不同垂點的測驗，隨著船只的航行，垂線的位置不斷改變，測驗的垂點也隨之變化，因此能夠在短時間內(nèi)測驗到不同深度不同范圍的采樣值。

5、ADCP測量儀的應(yīng)用

隨著我國水文工程的發(fā)展，ADCP測速技術(shù)也蓬勃發(fā)展，技術(shù)人員對ADCP技術(shù)的深入研究與探索實踐使該技術(shù)突破了僅對流速和流量測驗的局限，從而越來越多的被應(yīng)用于對泥沙含量、流動狀態(tài)以及水深等方面的測量。

6、結(jié)語

走航式ADCP作為一種先進(jìn)的流量流速測驗技術(shù)，因其具有操作簡單、測驗周期短、工作效率高等的優(yōu)良特性而受到各方技術(shù)人員的認(rèn)可并大力受到推廣使用，對促進(jìn)水文測驗的發(fā)展起到積極的影響作用。但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，水文測驗方面有關(guān)的理論知識不斷完善和改進(jìn)，ADCP技術(shù)在使用過程中仍然存在著不足和缺陷，因此，需要科技人員綜合利用理論知識，不斷進(jìn)行創(chuàng)新與創(chuàng)造，在技術(shù)上尋求新的突破，以對其進(jìn)行更進(jìn)一步的完善與改進(jìn)。

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