ADCP在梧州水文測(cè)驗(yàn)中的拓展應(yīng)用

楊惠麗，陳俏艷

（梧州市水文水資源局,廣西梧州543001）

ADCP在梧州水文測(cè)驗(yàn)中的拓展應(yīng)用

楊惠麗，陳俏艷

（梧州市水文水資源局,廣西梧州543001）

ADCP在水文領(lǐng)域中是作為專門的河流流量測(cè)驗(yàn)儀器引進(jìn)的，由于ADCP在測(cè)驗(yàn)過程中能夠提供流速、流向、水深和回波強(qiáng)度等豐富的測(cè)驗(yàn)信息，其應(yīng)用范圍已不僅僅局限于流量測(cè)驗(yàn)方面。本文通過簡(jiǎn)要介紹聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）的工作原理及其特點(diǎn)，以ADCP在梧州水文測(cè)驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)其在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用，特別是在拓寬應(yīng)用范圍方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。

ADCP；水文測(cè)驗(yàn)；拓寬應(yīng)用；梧州水文站

ADCP在水文領(lǐng)域中主要是作為河流流量測(cè)驗(yàn)儀器引進(jìn)的，隨著ADCP技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)其應(yīng)用的深入研究，由于ADCP在測(cè)驗(yàn)過程中能夠提供流速、流向、水深和回波強(qiáng)度等豐富的測(cè)驗(yàn)信息，其應(yīng)用已不僅僅局限于流量測(cè)驗(yàn)，還越來(lái)越多地應(yīng)用于含沙量、流態(tài)以及水下地形（包括大斷面）等方面的測(cè)量。下文以SonTek RiverSurveyor M9型走航式ADCP在梧州水文站中的實(shí)際應(yīng)用為例，逐一介紹ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用及其特點(diǎn)。

1 ADCP簡(jiǎn)介及工作原理[1]

ADCP中文通常譯為聲學(xué)多普勒流速剖面儀，它以很高的分辨率測(cè)量垂直方向或水平方向水流的瞬時(shí)流速，同時(shí)測(cè)量河流深度或河流寬度，從而直接計(jì)算出河道的斷面流量。

ADCP是利用聲學(xué)多普勒原理研制的，是目前世界上最為先進(jìn)的河流流速及流量實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備。一般配有3個(gè)或4個(gè)換能器，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器，與ADCP軸線成一定夾角。換能器向水體發(fā)射某一固定頻率的聲波，聲波碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的顆粒物后產(chǎn)生反射波，ADCP記錄發(fā)射波與反射波之間的改變，這個(gè)頻率改變即稱聲學(xué)多普勒頻移。ADCP向水體發(fā)射聲波脈沖，利用背向散射聲波脈沖的多普勒頻移可以連續(xù)地測(cè)量各層水體的三維流速。

根據(jù)不同的測(cè)量方式，ADCP可以分為走航式和固定式2種類型：

走航式ADCP應(yīng)用最廣，是將ADCP放置于測(cè)船底部，實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量沿測(cè)船航跡方向整個(gè)流速剖面和水深的數(shù)據(jù)。用戶可以設(shè)定不同的深度單元，ADCP測(cè)出每個(gè)深度單元流速矢量的三維數(shù)據(jù)，各個(gè)深度單元流速矢量數(shù)據(jù)組合成流速剖面。

固定式ADCP有2種布設(shè)方式：一種是垂直測(cè)量方式，是將換能器垂直向下裝在水面下（或垂直向上裝在河底）某一固定位置，向下（或向上）發(fā)射超聲波；另一種是水平測(cè)量方式，是將換能器裝在水面下某一固定位置，面向河道對(duì)岸水平地發(fā)射超聲波，測(cè)得某一段單元長(zhǎng)度內(nèi)層平均流速，與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，由此推算出斷面流量。通常使用固定式水平ADCP進(jìn)行在線流量監(jiān)測(cè)。

2 ADCP的應(yīng)用

2.1 流量測(cè)驗(yàn)

理論上，ADCP河道流量測(cè)驗(yàn)與傳統(tǒng)流速儀法的原理都是將測(cè)流斷面分成若干個(gè)子斷面，測(cè)量每個(gè)子斷面內(nèi)垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速及水深，從而計(jì)算子斷面的平均流速和流量，再將各個(gè)子斷面的流量疊加得到整個(gè)斷面的流量。

和傳統(tǒng)流速儀法一樣，利用ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)也是遵從“流速～面積法”的，即ADCP采用下式計(jì)算流量[2]：

沿航跡的斷面劃分成許多微斷面，則式（1）可變?yōu)椋?/p>

式中：m——微斷面總數(shù)；Vx——微斷面深度在x方向的流速分量；Vbx——測(cè)船在x方向的速度分量；Vy——微斷面深度在y方向的流速分量；Vby——測(cè)船在y方向的速度分量；Hi——微斷面處水深；△t——呼集合（對(duì)應(yīng)于微斷面測(cè)驗(yàn)采樣）時(shí)間平均步行；其中(x，y)為水平面上的總體坐標(biāo)系。

利用ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將ADCP與計(jì)算機(jī)連接，選擇合適的ADCP測(cè)流模式，設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)。測(cè)量過程中斷面的水深和垂線位置等數(shù)據(jù)，通過無(wú)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，在系統(tǒng)軟件控制下連續(xù)實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)及計(jì)算，測(cè)量結(jié)束后即可得到斷面流量。

對(duì)于流量穩(wěn)定的河流，至少要進(jìn)行4次斷面流量測(cè)驗(yàn)，來(lái)回各2次（2個(gè)測(cè)回），并且控制4次流量值的測(cè)驗(yàn)誤差在±5%以內(nèi)。若所測(cè)斷面流量超出誤差范圍，則應(yīng)再進(jìn)行至少1個(gè)測(cè)回的流量測(cè)驗(yàn)，最后以合格的4次斷面流量的平均值作為實(shí)測(cè)流量值。

對(duì)于流量在短時(shí)間內(nèi)變化較大的河流，如果只能采用一次測(cè)驗(yàn)的流量值，應(yīng)做出說明和記錄。在可能的情況下，應(yīng)至少測(cè)1個(gè)測(cè)回?cái)嗝媪髁?，以減小方向可能引起的偏差。測(cè)驗(yàn)過程中應(yīng)盡量保持測(cè)船平均速度小于或等于水流平均速度。

2.2 含沙量測(cè)量

當(dāng)今ADCP已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水文領(lǐng)域的流量測(cè)驗(yàn)，同時(shí)利用ADCP的聲反向散射強(qiáng)度（ABS）來(lái)推算懸移質(zhì)含沙量（SSC）的研究也逐漸引起人們關(guān)注。從ADCP工作原理可知其輸出的數(shù)據(jù)中含有ABS信息，因而ADCP具備了推算斷面平均含沙量的能力。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[3-6]對(duì)此進(jìn)行了研究，并取得良好效果。

在測(cè)量過程中，ADCP通過定時(shí)向水體發(fā)射固定頻率的聲脈沖，水中懸移質(zhì)的反射信號(hào)被換能器所檢測(cè)到。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，可以同時(shí)測(cè)定水柱各層單元的三維流速，而回波則是聲波在水體傳播過程中衰減及水體反射粒子質(zhì)量的綜合表現(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)可知，回波強(qiáng)度與懸移質(zhì)含沙量和水深成一定關(guān)系[7]：水深越大，回波強(qiáng)度越??；在水深相同的情況下，回波強(qiáng)度因懸移質(zhì)的散射不同而不同，同一深度的回波強(qiáng)度與懸移質(zhì)含沙量成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過建立含沙量與回波強(qiáng)度的關(guān)系，間接地推算出水體的含沙量。

在系統(tǒng)頻率、聲波脈沖模式相同的情況下，同一水深的回波強(qiáng)度信號(hào)，只與泥沙顆粒的濃度、種類和粒徑有關(guān)，對(duì)于種類和粒徑均一的泥沙來(lái)說，它直接與懸移質(zhì)含沙量相關(guān)，聲納方程[8]簡(jiǎn)化的指數(shù)形式為：

式中：C——懸移質(zhì)含沙量；E——回波強(qiáng)度；K1——擬合因子；K2——擬合因子。

K1，K2是通過懸移質(zhì)含沙量與回波強(qiáng)度的相關(guān)分析來(lái)率定的。經(jīng)初步試驗(yàn)，梧州水文站懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)斷面的垂線含沙量與左河道水深10 m處的回波強(qiáng)度關(guān)系較好。以左河道10 m水深的回波強(qiáng)度E，與其對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)垂線含沙量C的對(duì)數(shù)值Lg(C)建立相關(guān)關(guān)系圖（見圖1），然后用其相關(guān)關(guān)系反推得到ADCP估算的垂線含沙量C′，再由ADCP估算的垂線含沙量C′與實(shí)測(cè)垂線含沙量C建立相關(guān)圖（見圖2），Lg(C)與回波強(qiáng)度E的相關(guān)系數(shù)R=0.996 4，估算的垂線含沙量C′與實(shí)測(cè)垂線含沙量C的相關(guān)系數(shù)R=0.997 0，相關(guān)性都很顯著，說明利用ADCP回波強(qiáng)度估算懸移質(zhì)含沙量是可行的。

2.3 水下地形測(cè)量

ADCP是根據(jù)回波強(qiáng)度沿深度曲線在河底處突起的峰值來(lái)識(shí)別河底的[1]。根據(jù)ADCP工作原理，ADCP發(fā)射和背向散射返回的聲波脈沖信號(hào)是連續(xù)的，但不同深度水體返回的聲波脈沖信號(hào)時(shí)間卻不同。而聲波脈沖在一定水域和深度范圍的水體傳播速度不變，再利用聲波脈沖發(fā)射到河底及反射回?fù)Q能器的時(shí)間差，就可以確定水深，進(jìn)而求出河底高程。

進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，ADCP利用底跟蹤或外置GPS測(cè)定測(cè)船航行軌跡，亦即是測(cè)船的平面坐標(biāo)(x，y)，在每1 sADCP發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)的同時(shí)測(cè)得水深，即可采集到1組(x，y，h)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

利用走航式ADCP進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)可采用轉(zhuǎn)圈法或斷面法。轉(zhuǎn)圈法是在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)各種比例尺地形圖的測(cè)量要求，以測(cè)區(qū)中心為圓心均勻布設(shè)圓圈式的測(cè)量線路，測(cè)量船沿著測(cè)量線路依次施測(cè)每一個(gè)圓圈的方法；斷面法則是根據(jù)測(cè)量要求，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)斷面，然后利用ADCP依次施測(cè)每一個(gè)斷面的方法。斷面樁用四等水準(zhǔn)引測(cè)高程。

以梧州水文站某次采用轉(zhuǎn)圈法施測(cè)水下地形測(cè)量為例：首先在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)測(cè)量要求，以測(cè)區(qū)中心為圓心均勻布設(shè)每一個(gè)圓圈，圓圈間的間距一般為地形圖上2 cm，水下地形點(diǎn)則按圓圈布設(shè)，測(cè)點(diǎn)間距一般為地形圖上1 cm；然后利用ADCP依次施測(cè)每一個(gè)圓圈。

圖1 左河道垂線10 m水深的Lg（C）~回波強(qiáng)度E關(guān)系圖

圖2 ADCP估算含沙量C′與實(shí)測(cè)垂線含沙量C關(guān)系圖

進(jìn)行水下地形測(cè)量前，首先用GPS精確定位水邊點(diǎn)，記錄換能器到水邊點(diǎn)的距離；然后按照布設(shè)好的圓圈式測(cè)量線路，利用ADCP配備GPS的測(cè)量船沿著測(cè)量線路依次施測(cè)每一個(gè)圓圈。整個(gè)測(cè)量過程的垂線位置和水深等數(shù)據(jù)，通過無(wú)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，在系統(tǒng)軟件控制下連續(xù)實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)。測(cè)量結(jié)束后，利用后處理軟件導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)，再用自編的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

將采集到的斷面水深加上換能器淹沒常數(shù)，得到實(shí)際水深，水面高程減去水深即得河底高程，梧州水文站水下地形測(cè)量輸出的數(shù)據(jù)形式如表1所示。

表1 梧州水文站測(cè)驗(yàn)斷面上下100 m河道輸出的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)

利用ADCP測(cè)深以及GPS跟蹤定位的測(cè)量精度不會(huì)受船速影響，此外還能將測(cè)船的航跡保留下來(lái)，可以直觀地看到已測(cè)區(qū)域和待測(cè)區(qū)域，因此不會(huì)遺漏待測(cè)區(qū)域。用ADCP配備GPS進(jìn)行水下地形測(cè)量，和傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比，其精度和效率都有顯著的提高。

2.4 流態(tài)測(cè)量

河道的流態(tài)測(cè)量是測(cè)定局部河段不同位置上沿水深方向的流速大小、方向以及底沙運(yùn)動(dòng)的分布規(guī)律，為河勢(shì)分析、河道沖淤、河道演變分析提供原始資料。

常規(guī)的水文流量測(cè)驗(yàn)方法只能測(cè)出斷面上每個(gè)施測(cè)點(diǎn)的流速大小，卻無(wú)法測(cè)得斷面流態(tài)和空間流場(chǎng)的分布。而ADCP測(cè)流技術(shù)則可測(cè)出深度單元流速矢量的三維（東/西、南/北、垂向）分量，各個(gè)深度單元的流速數(shù)據(jù)組合成流速剖面，因此ADCP能提供連續(xù)的剖面資料，準(zhǔn)確地測(cè)出斷面的三維流態(tài)數(shù)據(jù)及流場(chǎng)的空間分布。

ADCP進(jìn)行流態(tài)測(cè)量時(shí)，主要是利用ADCP內(nèi)置羅盤建立的磁北極坐標(biāo)系與實(shí)際地形圖的真北極坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相互轉(zhuǎn)換的前提是有2個(gè)共同點(diǎn)在兩個(gè)標(biāo)系中都是已知的。ADCP進(jìn)行流態(tài)測(cè)量是滿足這個(gè)條件的，這2個(gè)已知點(diǎn)就是測(cè)量的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

流態(tài)測(cè)量的方法及過程：首先根據(jù)測(cè)量的目的和要求在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)好若干個(gè)斷面，然后利用ADCP依次施測(cè)每一個(gè)斷面。每個(gè)斷面的水深和垂線位置及流速等數(shù)據(jù)，通過無(wú)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，在系統(tǒng)軟件控制下連續(xù)實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)。測(cè)量結(jié)束后，利用后處理軟件導(dǎo)出測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)以及各流態(tài)測(cè)量點(diǎn)的水深、流速和流向等數(shù)據(jù)，再利用自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成成圖文件，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)到CAD繪圖軟件編輯得到河段流態(tài)圖。

以梧州水文站在長(zhǎng)洲水利樞紐航道進(jìn)行流速流向測(cè)驗(yàn)為例，根據(jù)ADCP輸出參數(shù)，提取垂線平均以及水面和水底的流速、流向數(shù)據(jù)（見表2），用CAD繪圖軟件對(duì)各斷面的每條垂線水面流速繪制流速分布圖（見圖3）。

表2 長(zhǎng)洲水利樞紐航道流速流向測(cè)驗(yàn)成果表

3 結(jié)語(yǔ)

目前，ADCP在梧州水文測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用主要是流量測(cè)驗(yàn)，但由于它能快速提供流速、流向、水深及回波強(qiáng)度等方面的信息，其應(yīng)用范圍還可以進(jìn)一步拓展。ADCP作為一種先進(jìn)的測(cè)驗(yàn)儀器，以其測(cè)量快捷高效、成果準(zhǔn)確可靠等特有的優(yōu)勢(shì)，有力地推動(dòng)了水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化的步伐，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 長(zhǎng)洲水利樞紐航道水面流速分布圖

［1］田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒原理及其應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.

［2］黃河寧.ADCP在河流流量測(cè)驗(yàn)原理和方法［R］．(RDI USA），2003．

［3］ThornePD,CampbellSC.ackscatteringbyasuspensionofspheres.［J］.AcoustSocAm.1992，92（2）：976-986.

［4］吳清松，潘偉然，張國(guó)榮，王君.ADCP在瓊州海峽懸沙觀測(cè)中的應(yīng)用［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（01）：144-148.

［5］高建華，汪亞平，王愛軍，李占海ADCP在長(zhǎng)江口懸沙輸運(yùn)觀測(cè)中的應(yīng)用［J］.地理研究，2004（04）：455-462.

［6］程鵬，高抒.ADCP測(cè)量懸沙濃度的可行性分析與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定［J］.海洋與湖沼，2001（02）：168-176.

［7］蔣建平，李樹明.ADCP在泥沙擴(kuò)散測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.水利自動(dòng)化，2005（03）.

［8］MEDWIN H，CLAY C S.Fundamentals ofAcoustical Oceanography［M］.San Diego∶Academic Press，1998.

P335+.1；P332

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