走航式ADCP在水文流量測驗中的應用

胡薇

摘要：本文對全國范圍內(nèi)廣泛應用的先進測驗設備——走航式ADCP進行了詳細的介紹。對于走航式ADCP的基本原理進行了闡述。同時對ADCP的獨特性以及在水文流量測驗中的實際應用情況進行了敘述。

關鍵詞：聲學多普勒流速剖面儀；走航式ADCP；水文流量測驗；Acoustic Doppler Current Profilers

引言

隨著對水文流量測驗要求的不斷提高，傳統(tǒng)的測量方法顯示出了極大的局限性，在某些地區(qū)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代的測量要求，而走航式ADCP測流法具有測驗時間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大等優(yōu)點，因此在全國范圍內(nèi)被廣泛應用。使用走航式ADCP進行動態(tài)測量具有很多傳統(tǒng)流量測量時所不具備的優(yōu)點。

一、ADCP簡介

ADCP，其全稱為Acoustic Doppler Current Profilers，是指聲學多普勒流速剖面儀，是一種測流設備。ADCP是從二十世紀80年代初發(fā)展起來的，僅有將近四十年的發(fā)展歷史，但是近年來由于其應用十分廣泛，發(fā)展也十分迅速。ADCP的功能強大，不僅可以直接測出斷面的流速，而且測量用的時間很短，大大提高了測量效率；同時測量的時候不擾動流場，測量效果精準；同時ADCP的測速范圍也較大。ADCP可以進行流場結(jié)構、流速、以及流量的測驗，廣泛應用于河流、湖泊、海洋等的水體流量測驗。

二、ADCP的工作原理

ADCP，即聲學多普勒流速剖面儀，主要的理論依據(jù)為多普勒效應原理。多普勒效應的主要內(nèi)容是物體輻射出的波長會因為波源和觀測者的相對運動發(fā)生變化，ADCP正是基于多普勒效應而制作出的測量儀。走航式ADCP主要是通過傳感器發(fā)射聲脈沖波，由于水中有不均勻分布的雜質(zhì)存在，例如沙子，浮游生物等，聲脈沖波會在水中發(fā)生反射，通過傳感器接收信號，利用多普勒頻移即可測出流速。

走航式ADCP的測量原理嚴格來說與傳統(tǒng)的船測、橋測、纜道測量流速儀法是相同的。無論是走航式ADCP還是傳統(tǒng)流速儀，都要把測流的斷面進一步分成子斷面，接著測量子斷面上垂線方向上的一個點或者多個點的流速和水的深度。將各個子斷面的流量疊加之后就可以計算出整個斷面的流量。但走航式ADCP表現(xiàn)出速度快、精度高、省時省力等特點，有著傳統(tǒng)流速儀所不可比擬的優(yōu)越性，下面將對二者的區(qū)別進行詳細的介紹。

三、走航式ADCP相對于傳統(tǒng)測量的不同

傳統(tǒng)測量采用的方法是使用流速儀進行測量，但是使用傳統(tǒng)的流速儀有很大的局限性，測驗時間較長且測量誤差較大，同時應用的場合和范圍也十分有限。走航式ADCP可以應用于特殊水情的測量，例如大洪水時期，這是傳統(tǒng)流速儀所無法測量的。主要的不同有：

（1）走航式ADCP的測量是動態(tài)的。動態(tài)指的是測量工具可以進行移動。傳統(tǒng)流速儀的測量方法中，流速儀是固定在選好的測量點上的。而走航式ADCP則是可以移動的，因此該測量儀可以在測量船移動的時候進行測量。

（2）一臺走航式ADCP的測量效果與多臺傳統(tǒng)流速儀的測量效果相當。也就是說走航式ADCP的測量效率是傳統(tǒng)流速儀的數(shù)倍。原因在于走航式ADCP的采樣速率很高。在子斷面的劃分上，走航式ADCP可以將斷面劃分的十分細，因此垂線上的測量點更加密集，測量出的結(jié)果也更加準確，因為一臺走航式ADCP的垂線上的測量點數(shù)量相當于多臺傳統(tǒng)流速儀的測量點數(shù)量。

（3）走航式ADCP不僅測量方法是動態(tài)的，同時對于測量船的航行軌跡也沒有直線要求，測量船的航行軌跡可以是斜線，甚至可以是曲線。但是傳統(tǒng)的流速儀不僅測量點要是固定的，同時要求測流的斷面垂直于河岸。因此，走航式ADCP在實際測量的應用中，比傳統(tǒng)流速儀更加靈活實用。

（4）在存儲方面，ADCP結(jié)合了信息時代的先進技術，可以進行聯(lián)機存儲，徹底改變了傳統(tǒng)流速儀需要人工手動記錄的方式，進入自動化的時代。傳統(tǒng)的流速儀需要手工記錄、計算、制作結(jié)果。但是走航式ADCP可以直接聯(lián)機存儲。機器的運動大大提高了測量的效率，降低了測量的工作量，同時精度上也大大提高，減少了人為因素造成的誤差。

（5）ADCP法測流克服了其他方法無法克服的水草影響。傳統(tǒng)方法的測流斷面通常要求垂直于河岸，ADCP方法測船的航跡則無這樣的要求，可以是斜線或曲線。這樣當有水草擋在測流斷面上時，測船可以繞過水草，繼續(xù)測流，而流速儀法則不可以，需要將水草除去.或者待水草流過后再進行測流。

（6）走航式ADBP用作傳感器的水下?lián)Q能器是全封閉的。由于全封閉的結(jié)構，雖然在一定程度上減少了故障的發(fā)生，但是一旦故障發(fā)生，維修的時候?qū)o從著手。因為全封閉的機構只能通過專業(yè)的器具進行維修，不能自己自主地維修。而且維修費用昂貴，維修時間較長。因此走航式ADCP的可維護性較差。

四、走航式ADCP在水文流量測驗中的應用情況

由于水文現(xiàn)代化建設的需要，以及社會各方面的快速發(fā)展，對于水文監(jiān)測，無論是在精度還是效率方面都有更高的要求，因此走航式ADCP應運而生。同時，大家也在尋找具有更高精度、更高效率、更高頻次測量的方法。目前，ADCP作為當前最先進的水文監(jiān)測設備，已經(jīng)得到了廣泛的應用。ADCP在水文監(jiān)測中的應用得到了非常好的效果。ADCP可以實現(xiàn)流量的在線監(jiān)測，掌握和了解流量的動態(tài)變化。為水資源配置，水環(huán)境保護和防汛抗旱提供實時流量信息，在提高測驗的精度，效率和安全性的同時，也大大降低了測驗人員的勞動強度。

但是將ADCP應用在測流中的時候仍然需要注意一些問題。

4.1水流含沙量高

由于走航式ADCP是聲學設備，因此水流中的含沙量對于走航式ADCP的使用影響很大。當水流中的含沙量很高時，就不適合使用高頻率的走航式ADCP，在這種情況下，使用低頻率的ADCP比較合適。但是即使使用了低頻率的ADCP，測量時仍然有限制，即測量的河流深度不能過淺。如果河流深度較淺，則可以使用窄帶ADCP。如果河流的含沙量高，同時深度又過淺，導致無法使用ADCP，可以使用差分GPS和測深儀分別測量船速和水深。

4.2河底存在推移質(zhì)運動

河底的推移質(zhì)運動是影響走航式ADCP測量的另一因素。主要影響的是測量結(jié)果的準確度。因為形成推移質(zhì)的河段，都是水速過快，河流底部的泥沙隨水遷移而形成的。為了減少河底推移質(zhì)運動的影響，可以使用GPS測量船速。

4.3深度單元尺寸影響測量精度

由于流速測量時，深度單元尺寸會對垂向分辨率、測量范圍、測量精度、剖面深度等參數(shù)均造成影響，因此要根據(jù)不同的應用場景選擇不同的深度單元尺寸。一般來說，單元尺寸越小，流速測量精度就越低。如果水深較大，就采用較大的深度單元尺寸，如果水深較小，就采用較小的單元尺寸。

五、ADCP在水文測驗中的注意事項

ADCP操作中，需要對三個較為重要的部件進行保護，分別是蓄電池、換能器、三體船。在進行操作的時候，初學者常常做出在接線連接的時候接錯電池正負極的現(xiàn)象。因此操作的時候，一定要嚴格按照產(chǎn)品上的說明進行操作。如果在測量流量前，為了確保安全，最好使用軟件進行自檢，合格后再進行測量。同時，由于儀器設置的參數(shù)對于測量結(jié)果有很大的影響，因此測量的時候可以對參數(shù)進行記錄并反復進行調(diào)整，以期能夠達到最優(yōu)效果。

六、結(jié)語

本文對走航式ADCP的原理、應用情況進行了簡要的介紹。不僅詳細說明了走航式ADCP取代傳統(tǒng)流速儀的優(yōu)勢，同時也指出了目前走航式ADCP存在著的許多不足。在未來，針對這些不足的地方，將會有進一步的改進。

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