水文監(jiān)測中ADCP技術(shù)的運用及優(yōu)越性淺析

肖麗媛

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 17200)

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水文監(jiān)測中ADCP技術(shù)的運用及優(yōu)越性淺析

肖麗媛

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 17200)

ADCP是聲學多普勒流速剖面儀的簡稱，從多角度多方面分析影響ADCP測驗情況的因素，指出其測流優(yōu)越性以及需要注意的事項。近年來，在水文系統(tǒng)中，ADCP得到了廣泛地應用，而且流量測驗工作的形式有隨之發(fā)生了極大的變化。儀器本身是移動形式的，在載運和攜帶方面十分便利，具有明顯的機動性特征，并且有效地增強了測流的效率，在水資源的論證以及用水總量監(jiān)測方面提供了一定的保證。

水文監(jiān)測；ADCP技術(shù)；運用；優(yōu)越性；解讀

1 ADCP技術(shù)工作原理的闡述

現(xiàn)階段，在河流流速及流量實時測量工作中，ADCP是最為先進的設備。對于ADCP的流量測量原理來講，和之前轉(zhuǎn)子式流速儀的方法是相同的，都是把測流斷面劃分成諸多子斷面，并且在各子斷面中，對垂線一點或者是若干點的流速進行測量，包括水深的測量，最終獲取這一斷面中的平均流速以及流量[1]。而后，需要把各個子斷面流量進行疊加而獲取整個斷面流量。然而，兩者之間的區(qū)別就在于：第一，轉(zhuǎn)子式流速儀的方法屬于靜態(tài)方法，但是，流速儀是固定的。而ADCP則屬于動態(tài)方法，能夠根據(jù)所測船的運動過程實現(xiàn)測量目標。第二，轉(zhuǎn)子式流速儀的方法消耗的時間比較多，而且，在劃分子斷方面也并不細致，而垂線流速測量點的數(shù)量也并不多。但是，ADCP不同，因為其采樣的效率比較高，所以，能夠詳細地劃分子斷面，且垂線流速的測量點數(shù)也相對多一些，與多臺流速儀的同時測量效果是一致的。第三，轉(zhuǎn)子式流速儀的方法必須要保證測流斷面與河岸是垂直的，但是，ADCP的方法并沒有這一需求，而且，測船航跡不僅可以是斜線，還可以是曲線[2]。

2 ADCP和流速儀實測流量的對比研究

文章將本溪水文站的水文監(jiān)測為重點研究對象，使用了六次ADCP實測測量，并運用流速儀一點法與之進行對比。根據(jù)ADCP多次往返的測量成果分析，其偏差都不超過5%，所以，這種流量測驗的性能十分穩(wěn)定，且精度很高。但是，流速儀一點法的實測結(jié)果也不如人意，只有一次的偏差不超過5%，其中，有兩次偏差超過了10%[3]。為此，在分析與試驗當中，對ADCP實測的偏差影響因素進行了總結(jié)：

2.1 引船速度

根據(jù)ADCP技術(shù)的使用要求，應保證牽引船速度不超過河流的平均流速，只有這樣才能夠符合測驗的要求。使用牽引速度不同的船進行測量，實際的結(jié)果表明，測驗結(jié)果受到牽引船速度的影響，但是，影響程度并不明顯，不會導致系統(tǒng)誤差。

2.2 下游橡膠壩

在本溪水文站斷面的下游處，距離1.50 km的位置建造了橡膠壩。如果不是洪水期，該壩是不會放壩的，所以，阻礙了上游斷面的水流。本溪斷面淶水主要是上游水路超出汛中的限制水位，所以需要開閘放水，實際的流量并不大，所以，橡膠壩未采取放壩的措施，導致流速儀方法的實測結(jié)果出現(xiàn)了極大的偏差。

2.3 流速儀測速垂線布點

流速儀方法測流主要采用的是一點法來測速，因為下游的下游壩具有阻水的作用，一點法的流速比較大，所以，很難真實地表現(xiàn)垂線的平均流速。通常，如果條件允許，應當使用精測方法，進而確保比測結(jié)果更加合理。

3 水文監(jiān)測中ADCP技術(shù)運用的優(yōu)越性分析

3.1 優(yōu)越性研究

(1)ADCP能夠有效地克服水草的影響。在運用ADCP方法來測量的時候，船的實際航跡不僅可以是曲線，還可以是斜線。如果在測流斷面出現(xiàn)水草，那么測船能夠繞過，并繼續(xù)開展測流工作。但是，流速儀卻無法實現(xiàn)，必須要除去存在的水草，或者是在水草流過測流斷面以后才能開始測流的工作。

(2)ADCP的測驗速度較快，且實際效率理想。運用傳統(tǒng)的測驗方法，在測驗過程中，通常需要有3～4個人參與，在車輛的駕駛以及儀器操作，甚至是數(shù)據(jù)記錄方面的分工需要明確，所以，要想兼顧具有極大的困難[4]。另外，儀器下方存在鉛魚配重，所以，實際的勞動強度也比較大，尤其在洪水漲落幅度相對較大，或者是需要人工手提儀器進行懸索測流的情況下，需要保證操作工作人員自身的體力充足。但是，運用ADCP進行測驗，只需要通過電腦進行操控，而在測量的現(xiàn)場并不需要有人工進行記錄或者是計算。其中，測船一測回就能夠?qū)嗝媪髁俊⒆畲罅魉?、面積以及平均流速進行準確地測量，所以，有效地減少了測驗工作人員自身的勞動強度，而且在人力和物力方面也十分節(jié)省。

(3)同傳統(tǒng)的流速儀測流進行對比，ADCP的儀器分辨率以及測速的精準度都有所提高，而且，最大的優(yōu)點就是能夠進行不間斷與高頻次的測量，且斷面流量的過程十分直觀[5]。運用ADCP技術(shù)進行水文監(jiān)測的時候，深度單元最小尺寸采用的是0.05 m，也就是在水深是1米的時候，能夠把垂線劃分成20份，與傳統(tǒng)流速儀方法中的“二十點法”相似，使得儀器的分辨率得到了有效地提升。

(4)在傳統(tǒng)測驗過程中，需要在被測河段設立水尺，并對其進行測量，另外還包括大斷面測量，對河道斷面基本的情況予以全面地掌握。但是，ADCP技術(shù)不同，不需要事先進行測量與布設，而在測流的時候，不同斷面的信息與水文要素都能夠計算并顯示出來。由此可見，ADCP技術(shù)具有明顯的機動性與便利性特點。而這種技術(shù)在不具備斷面資料或者是不具備水文資料的河段比較適用，同時，也同樣適用在突發(fā)洪水或者是決口河段測驗工作當中。

(5)ADCP的流量測量精準度很高。在運用ADCP技術(shù)的情況下，只要根據(jù)步驟進行操作，就能夠保證半測回流量數(shù)值同平均數(shù)值的偏差不超過5%。這一點在本溪水文站的測量對比試驗中有明顯的體現(xiàn)。

(6)ADCP技術(shù)測驗所形成的聲學多普勒流速儀流量記載表可以在整編水文資料的過程中予以直接應用，而且實際操作十分便捷，測驗的效率也很高，在巡測當中十分適用[6]。

(7)ADCP屬于聲學測驗的設備，而對較大含沙量的水流當中，所發(fā)射或者是接受的信號都會受泥沙顆粒的影響而出現(xiàn)散射，為此，最終的測量結(jié)果也同樣會受到河流含沙量的影響。由此可見，ADCP技術(shù)只能應用在河流含沙量較小的情況，一旦含沙量較大，其自身的作用與價值是無法發(fā)揮出來的。

3.2 ADCP技術(shù)應用的注意事項

(1)在流速流量測量過程中采用ADCP技術(shù)，要想獲取理想的測量結(jié)果，應當根據(jù)不同的測驗河段以及斷面情況，在開展測流工作之前，應對ADCP系統(tǒng)進行檢測與配置，并且保證儀器參數(shù)的設計合理，進而保證測驗的數(shù)據(jù)更加全面，且具有較高的測驗精準度。

(2)因為ADCP屬于聲學測驗設備，所以，如果泥沙顆粒量比較大，就會對儀器聲波發(fā)射與接收帶來不利的影響。由此可見，測量的成果會受到河流含沙量的較大影響。為此，相關(guān)專家提出建議，ADCP儀器最好被應用在含沙量不超過10 kg/m3的河流中[7]。

(3)ADCP的水下?lián)Q能器屬于全封閉式，所以，如果存在故障很難及時解決，而且在檢查與更換方面難度較大。另外，該儀器的主板價格很高，并不具備備用主板。同時，ADCP儀器在維修方面并不方便，一旦出現(xiàn)故障，必然會對流量的測驗帶來不利的影響，一定要根據(jù)操作程序的要求來使用并進行管理，保證儀器的使用更加正常。

(4)ADCP在信號發(fā)射電臺電源續(xù)航能力方面十分薄弱，而且，在對便攜式電腦電池續(xù)航能力的測驗數(shù)據(jù)計算方面也存在不足[8]。另外，在高頻次流量測驗與多斷面巡測方面也存在一定的問題。

4 基于ADCP技術(shù)的水文流量測驗分析

4.1 流速比測

目前比較常見的水文監(jiān)測是定點式ACDP流速測量，它是對一定測距范圍內(nèi)的水文流量流速測算方法，例如河道斷面流速、平均流速比測等等都可以建立此推算體系，保證水文監(jiān)測質(zhì)量。

在水文監(jiān)測前，要在水下安裝水下?lián)Q能器，水下?lián)Q能器的安裝高度要通過前期勘測來決定，通常情況下要根據(jù)測流斷面水位年際變幅來確定。如果水位變幅較小，可以考慮建立流速單一相關(guān)，如果水位變幅較大，則要考慮流速相關(guān)點所產(chǎn)生影響，同時考慮儀器入水后的深度因子，一旦水位變幅發(fā)生急劇變化，則要上下移動儀器來建立符合當時狀況的合理位置相關(guān)線。從技術(shù)角度來看，定點式ADCP采用的是高分辨率測量，它能測量水平方向水流的瞬時層面二維流速。其中ADCP數(shù)據(jù)采集完全可以設置為不同間隔時間來進行數(shù)據(jù)采集。同時在測速比測時，應該按照潮汐周期的大、中、小潮汐分布來進行比測，盡可能在一個潮期過程內(nèi)進行測驗，特別是注意水文監(jiān)測時必須要有比測點。在測量前期不要安裝ADCDP水位探頭，多利用水文遙測水位，再配合計算機軟件來調(diào)用計算數(shù)據(jù)，滿足整編需要。另外，水位數(shù)據(jù)采集與ADCP數(shù)據(jù)采集要同步頻次，以保證測量數(shù)據(jù)準確。

4.2 測驗穩(wěn)定性檢驗

水文測驗穩(wěn)定性檢驗要利用到聲學多普勒流儀來進行流量測驗，保持每年實施一次流速比測。它的目的有兩點，第一是為了檢驗流速相關(guān)線是否穩(wěn)定，第二是為了檢驗ADCP儀器性能是否穩(wěn)定。然后根據(jù)相關(guān)公式來推算ADCP的超流量，并對潮流歷時、逐潮潮量進行分析驗算，按照《水文資料整編規(guī)范》精度要求來實現(xiàn)多普勒水文比測資料精度評定過程，見表1。

表1 水文監(jiān)測多普勒比測資料精度評定數(shù)據(jù)表

如表1，利用ADCP技術(shù)在感潮河段進行水文監(jiān)測其穩(wěn)定性較好，而且整個測量過程也沒有發(fā)現(xiàn)任何資料缺陷及漏測現(xiàn)象。ADCP在設置時采用了一次流速設定，并根據(jù)現(xiàn)實測量狀況而定?；驹O置平均測量時間為5 min一次，≤1 h完成一次數(shù)據(jù)采集。再加之ADCP的測深功能，增加了水位指標，因此可以通過比測來直接獲取斷面平均流量，整體來看測量效果良好。

5 結(jié)語

綜上所述，ADCP是目前世界范圍內(nèi)最為先進的流量測驗設備，在水文監(jiān)測工作中得到了廣泛地應用，使得水文現(xiàn)代化的水平有所提升，并且增強了測驗的精準度以及測洪的能力，使得采集水文信息的時間有所減少，同樣在防汛抗洪及開發(fā)利用水資源方面提供了更為準確且完整的水文信息。為此，文章對ADCP技術(shù)展開了全面地闡述，并且同傳統(tǒng)的測速儀進行實測對比，對使用ADCP技術(shù)的優(yōu)越性進行了分析，闡述了所需注意的事項，希望能夠為ADCP技術(shù)未來的推廣使用提供有力保障。

[1]陳衛(wèi),周波.H-ADCP流量在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)[J].人民長江.2015,46(21):39-42.

[2]葉玉新,賀德海,呂富穎，等.ADCP在梅港水文站流量比測分析[C].2014:75-80.

[3]彭曉軍,孫全章.ADCP在水文測驗中的應用分析與發(fā)展前景[J].科技創(chuàng)新與應用.2015(26):241-241.

[4]吳曉楷,張淼.走航式ADCP在引黃濟津潘莊線路應急輸水測驗中的運用[J].海河水利.2013(3):52-53,57.

[5]劉健.ADCP技術(shù)在河道流量測驗中的應用[J].科學時代.2013(11).

[6]劉佳佳.走航式ADCP技術(shù)在水文測驗中的應用[J].北京農(nóng)業(yè).2015(3):175-175.

[7]吳燕.探討ADCP技術(shù)應用于河道流量測驗中的效果[J].河南科技.2014(9):56.

[8]鐘曉露.芻議ADCP技術(shù)在水文測驗中的應用[J].大科技.2015(30):158-159.

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1004-1184(2016)06-0217-02

2016-10-18

肖麗媛(1981-)， 女，遼寧沈陽人， 工程師，主要從事水文測驗工作。