ADCP在長(zhǎng)江上游河道中的應(yīng)用

李秀峰

摘 要：本文簡(jiǎn)述了ADCP的測(cè)流原理，通過實(shí)例描述了ADCP在長(zhǎng)江上游河道中的應(yīng)用情況，分析了ADCP在長(zhǎng)江上游河道應(yīng)用中的問題及處理方式，為ADCP測(cè)流系統(tǒng)的應(yīng)用中提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：ADCP；多普勒效應(yīng)；頻移；長(zhǎng)江上游；測(cè)流

中圖分類號(hào)：U612.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）04-0040-02

ADCP，即Acoustic Doppler Current Profilers，聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是上個(gè)世紀(jì)八十年代開始發(fā)展的一種聲學(xué)儀器。經(jīng)過多年的發(fā)展和實(shí)踐，其技術(shù)及應(yīng)用亦越趨成熟。目前ADCP憑借其高效安全，可實(shí)時(shí)獲得直觀而全面的成果數(shù)據(jù)，廣泛的應(yīng)用于各項(xiàng)水文測(cè)驗(yàn)中。目前，利用走航式ADCP測(cè)流也成為主要的測(cè)流測(cè)驗(yàn)手段之一。

1 ADCP測(cè)流原理及儀器簡(jiǎn)介

1.1 ADCP測(cè)流原理

ADCP，即聲學(xué)多普勒流速剖面儀，通過測(cè)定隨水流運(yùn)動(dòng)的微小顆粒物的速度而測(cè)定水的流速。

當(dāng)換能器發(fā)出固定頻率的脈沖聲波，被隨著水流運(yùn)動(dòng)的微粒物反散射，再被ADCP換能器接收。通過多普勒效應(yīng)可知，反散射后的聲波頻率會(huì)隨著儀器與微粒物的相對(duì)位置的改變而改變，其與發(fā)射聲波的差值就是聲學(xué)多普勒頻移。

1.2 儀器簡(jiǎn)介

長(zhǎng)江上游河道狹窄，彎急灘險(xiǎn)，水流湍急，流速較快約為3m/s左右，汛期部分河段流速可達(dá)4m/s以上，而部分峽谷河段，其深度可達(dá)40，50米以上，流量可從枯水時(shí)的3000m3/s到汛期20000m3/s以上。所以經(jīng)過綜合考量在上游航道水文測(cè)驗(yàn)中使用的ADCP設(shè)備主要為美國(guó)RDI公司研制的第三代駿馬系列的瑞江牌走航式ADCP 600KHz以及300KHz。其波束角為20°，RS232或RS-422串口通訊，重量為7.0kg，精度為 0.25%V+2.5mm/s。

2 流量測(cè)驗(yàn)的實(shí)施

2.1 儀器檢校

2.1.1 儀器電量檢校

工作前應(yīng)首先檢查蓄電池電壓是否穩(wěn)定電量是否充足，保證工作用的筆記本電腦電量充足。

走航式ADCP測(cè)驗(yàn)斷面流量，橫渡河流的過程必須是一個(gè)連續(xù)不可中斷.如果測(cè)驗(yàn)時(shí)由于斷電等因素造成測(cè)驗(yàn)過程中斷，就只能返回?cái)嗝嫫鹗键c(diǎn)重頭開始。所以必須保證儀器設(shè)備的電壓電量穩(wěn)定充足，避免中斷流量測(cè)驗(yàn)，以提高工作效率。

2.1.2 ADCP的自檢

將ADCP同電腦連接，運(yùn)行BBTLAK軟件，首先設(shè)置好串口及通訊參數(shù)，再運(yùn)行 TestWH.rds 命令文件，ADCP即可自動(dòng)完成測(cè)試。測(cè)試結(jié)果保存在同目錄下的WH_TEST文件中。

使用ADCP前應(yīng)該運(yùn)行BBTALK軟件進(jìn)行ADCP自檢，保證設(shè)備連通性。ADCP不同于其他聲學(xué)設(shè)備的一點(diǎn)是，其在空氣發(fā)射聲波脈沖也不會(huì)損壞儀器。所以儀器的自檢可以入水前進(jìn)行，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)省工作時(shí)間。

2.2 流量施測(cè)

ADCP自檢后即可安裝入水，未避免造成ADCP內(nèi)置磁羅經(jīng)磁偏角誤差，測(cè)船應(yīng)避免選用鐵質(zhì)船殼，所以測(cè)驗(yàn)時(shí)選擇的是玻璃鋼材質(zhì)的快艇。保證ADCP的3#換能器朝向船首，且與測(cè)船中軸線平行。

完成硬件連接后，打開電腦中的測(cè)流軟件WinRiver v1.05，首先需要輸入ADCP的配置參數(shù)，如換能器吃水，測(cè)船最大船速，斷面最大流速，水深單元數(shù)，水深單元層高，最大水深等。當(dāng)測(cè)驗(yàn)未知斷面時(shí)，為了獲得準(zhǔn)確的斷面參數(shù)，可對(duì)斷面預(yù)測(cè)一次，以獲知準(zhǔn)確的配置參數(shù)。

當(dāng)參數(shù)無誤時(shí)，即可點(diǎn)擊測(cè)流軟件WinRiver v1.05菜單欄中的“采集”目錄下的“開始發(fā)射”。此時(shí)測(cè)船到達(dá)測(cè)流斷面起始位置時(shí)，再點(diǎn)擊“開始記錄數(shù)據(jù)”，輸入岸邊距離即開始測(cè)流，當(dāng)測(cè)船勻速到達(dá)對(duì)岸測(cè)流斷面終點(diǎn)時(shí)，即可點(diǎn)擊“停止記錄數(shù)據(jù)”后輸入岸邊距離結(jié)束測(cè)量。

如此往返兩個(gè)測(cè)回后所得的四組數(shù)據(jù)，取其平均值為此次斷面測(cè)流的最終成果。

2.3 流量測(cè)驗(yàn)的問題及處理

（1）流量測(cè)驗(yàn)中如發(fā)生河底走沙或河床底部懸沙濃度過大，造成ADCP的“底跟蹤”失效，ADCP在Btm模式下無法測(cè)得船速時(shí)， 需要外接GPS，WinRiver測(cè)流軟件選用GGA模式。若ADCP無法測(cè)得準(zhǔn)確水深時(shí)，還應(yīng)外接測(cè)深儀。如果測(cè)船為鐵質(zhì)船殼或換能器旁有其他鐵制件等可產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，此時(shí)需要進(jìn)行磁偏角校正，最好可以外接羅經(jīng)，以減少誤差提高精度。若外接GPS，應(yīng)在測(cè)前校正ADCP與GPS的時(shí)間 。

（2）測(cè)流時(shí)應(yīng)保證測(cè)船速度低于最大流速，且保證船速均勻，以提高保證測(cè)得數(shù)據(jù)均勻分布于測(cè)流斷面，以提高斷面測(cè)驗(yàn)精度。

（3）汛期時(shí)部分?jǐn)嗝嬗捎谒骱沉看?，流速過快，因水位改變產(chǎn)生回水，泡漩等，應(yīng)該及時(shí)改變斷面位置，選擇河道順直，水勢(shì)較好處，并選用頻率較低的ADCP。

3 測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析

ADCP可以直觀的獲得測(cè)流相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，例如每組數(shù)據(jù)的流速，流向（包括沒個(gè)單位數(shù)據(jù)的三維分量）以及每個(gè)單位數(shù)據(jù)的流量；還可以查看每條斷面估算的上層流量，底層流量和兩岸盲區(qū)的流量；測(cè)船在橫渡過程中的橫縱搖數(shù)據(jù)，船速，航向等；更能直觀的顯示測(cè)得數(shù)據(jù)中的壞值，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，反應(yīng)測(cè)流成果的可靠性。

通過WinRiver軟件可導(dǎo)出的ASCII數(shù)據(jù)，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(zhǎng)度、吃水、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、姿態(tài)、溫度）；當(dāng)前剖面的平均流速分量、測(cè)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；水深信息。各水層單元的數(shù)據(jù)包括當(dāng)前水層單元的深度、流速值、流向、東向流速、北向流速、垂向流速、誤差流速、波束1～波束4的反向散射、好的百分?jǐn)?shù)、流量共13個(gè)數(shù)據(jù)。

我們通常利用垂線點(diǎn)附近的30組數(shù)據(jù)計(jì)算出在垂線點(diǎn)各對(duì)應(yīng)水深的流速以及測(cè)流時(shí)取得的斷面數(shù)據(jù)，將其帶入傳統(tǒng)的計(jì)算表格中求取斷面的最終流量，并將其作為最終的提交成果。

上表中DM1為上游斷面，DM4為下游斷面，DM2與DM2-1，以及DM3同DM3-1，分別為中間兩個(gè)河心洲的分汊斷面。測(cè)驗(yàn)總共歷時(shí)2小時(shí)，臨時(shí)水尺水位變化小于0.1米，所以可以認(rèn)為測(cè)驗(yàn)過程中測(cè)區(qū)流量沒有變化。測(cè)驗(yàn)結(jié)果可知測(cè)流斷面的流量互差比值均小于5%。

通過此次測(cè)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，ADCP系統(tǒng)在工作中具有很高的工作效率，四五百米的測(cè)流斷面兩次往返，四個(gè)測(cè)回總歷時(shí)不到30分鐘。測(cè)得的結(jié)果也有較強(qiáng)的可靠性，測(cè)區(qū)中上下斷面流量以及與河流分汊流量的和值，其互差皆在5%的范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

ADCP作為一種自動(dòng)化，數(shù)字化的測(cè)流手段，廣泛的應(yīng)用于水文測(cè)驗(yàn)當(dāng)中。憑借其系統(tǒng)的高效，安全，先進(jìn)可靠的優(yōu)點(diǎn)，有利的保證了長(zhǎng)江上游流量測(cè)驗(yàn)工作，提高了工作效率，縮短的了工作時(shí)間，降低了在險(xiǎn)灘急流環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，有效提高了長(zhǎng)江上游航道建設(shè)工作的進(jìn)展。

根據(jù)ADCP原理還可利用測(cè)得位置及回波強(qiáng)度等斷面數(shù)據(jù)，反算水體含沙量等方面還有進(jìn)一步的拓展空間。對(duì)于如何提高ADCP的應(yīng)用效率，降低盲區(qū)，提高成果精度，實(shí)現(xiàn)成果數(shù)據(jù)后處理的自動(dòng)化等方面，還是以后應(yīng)用研究的關(guān)鍵。相信隨著科技的進(jìn)步，ADCP 在以后的水文工作中能夠向著更高效，簡(jiǎn)便，智能化，信息化的方向進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：

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