走航式ADCP系統(tǒng)在水文測驗中的應用分析

(吉林省水文水資源局吉林分局，吉林 吉林 132000)

對河流流量的測驗是水文測驗中的一項重要工作內(nèi)容。以往由于技術(shù)水平不夠發(fā)達，測量人員主要采用流速儀對河流流量進行測定。傳統(tǒng)的流速儀測定流量方法因為科技含量不高，測量效率低下而且測定過程中耗時比較長。在遇到特大洪水或者水情比較復雜的狀況下，已經(jīng)不能滿足需求，不能及時的為防汛指揮部門提供第一手的河流流量信息，不利于提高防洪抗災的工作效率。走航式ADCP經(jīng)過不斷的科技水平更新?lián)Q代，現(xiàn)如今已經(jīng)可以準確‘迅速的對河流流量進行測定，是ADCP技術(shù)在水文測量中的一個重要創(chuàng)新。

1 走航式ADCP的基本工作原理

一個完整的ADCP系統(tǒng)有四部分組成：計算機部分，操作軟件部分，ADCP能量變換器以及其他一些連接設(shè)備。在水面上的懸浮物由于水面張力與摩擦力的存在，會跟著水的流動而隨之流動，通過懸浮物向河道中發(fā)射聲波脈沖，在水中就會產(chǎn)生多普勒頻率，計算機根據(jù)多普勒頻移，對河流的流速剖面進行測量。河流的流速剖面是水層的三維立體成像，可以反映水流的流速以及流向。和傳統(tǒng)的測量方式相比，走航式ADCP具有測量準確，測量用時短，操作方便快捷且對河流測量的資料比較完整。走航式ADCP能在各種情況下迅速準確的對河流流量進行測定，對水文測量的準確性和高效性是一個極大的提升。

2 基于ADCP系統(tǒng)的河道流量的計算方法

ADCP計算河道流量的方式是利用河流斷面的深度平均流速矢量和矢量差的乘積。用公式表達為：

式中：Q表示河流流量；ξ表示測量工作船移動軌跡的單位法線矢量。dS表示河流斷面上微元體的一個側(cè)面積；S表示測量面河流的斷面面積；μ表示在斷面處某一點的河流流速的矢量。

2.1 中部平均流速和流量

ADCP在測驗過程中，會測出所有有效微元體的的流速，然后利用計算機計算出平均所有測量微元體的流速平均值，作為河道中部平均流速。計算公式為：

式中：μxj表示在微元體中在水速測量方向上x上的流速矢量分量；υXM表示河流流速在x方向上的分量，也就是在測量過程中需要的得到的中部平均流速。

中部河道流量的計算公式：

式中：QM代表中部流量；υym表示流速在y方向上的分量，也就是中部平均流速；Z2表示河道底部到第一個有效測量單元的高度值；Z1表示從河道底部帶最后一個有效測量單元的高度值。

2.2 對河道表層以及底層的平均水速和流量計算公式

河流表層平均流速的計算公式為：

河流表層流量計算公式為：

式中：m代表在河流斷面中取得有效斷面微元體的數(shù)量。υy表示中部流速在y方向上的矢量分量；υhx表示測量船速度矢量在x方向上的矢量分量；υx表示中部平均流速在x方向上的矢量分量；υbx表示測量船速度矢量在y方向上的矢量分量。Δt 表示在測量兩個不同有效微元體過程中間隔的時間。

在河道底層水流速度的計算公式為：

2.3 河道岸邊流量估算

走航式ADCP是通過河面懸浮物向水中發(fā)射聲波脈沖來對河流流速和流量進行測算，因此河道岸邊的流速和流量不能根據(jù)走航式ADCP進行測算嗎，在以往中都是利用經(jīng)驗公式進行計算，河道岸邊河流區(qū)域的經(jīng)驗計算公式為：

υ?=?υm

在公式中?表示河道岸邊的流速系數(shù)，按照以往計算經(jīng)驗，?一般取值0.07。υ?代表岸邊流域平均流速。

河道岸邊區(qū)域流量的計算公式為：

QNB=?Aaυm

有上述公式我們可以求得在河流斷面中表層，中層，底層以及岸邊的流量，全部數(shù)據(jù)之和即為整個河道的流量。

3 測量數(shù)據(jù)對比分析

以吉林某水文站為例，對由傳統(tǒng)測量方式測出的數(shù)據(jù)和由走航式ADCP測得的水文數(shù)據(jù)進行分析對比。吉林某水文站位于丘陵地區(qū)之上，在水文站2 000 m之外有水庫一座，河道底部大部分為碎石河床，河道寬度在140～160 m之間，由于河流的沖刷，河道中的積淤較少，大部分情況下河道的水流較為穩(wěn)定。由于水庫的存在，河道中水質(zhì)較好，有輕微的砂質(zhì)存在。由于書庫需要根據(jù)水庫存情況不定期的進行蓄水或開閘放水，河道中的水位就會隨著水庫的狀態(tài)進行變化，在水庫開閘放水的時候，水流急速，水位變化十分頻繁，傳統(tǒng)的流速測量儀已經(jīng)不能滿足河道水文測驗的使用要求。該水文站在2014年開始引進ADCP水文測量系統(tǒng)，大大提升和測量儀的布控效率，對大大提高了水文數(shù)據(jù)測量結(jié)果的完整性和測量效率。

3.1 對河流深度測量數(shù)據(jù)的對比

傳統(tǒng)的測量方法和走航式ADCP同步對河流深度進行對比測量。實驗中共收集有效測量數(shù)據(jù)96個，對傳統(tǒng)的測量方法和走航式ADCP測量的水深結(jié)果進行對比分析，對比結(jié)果見表1。

表1 水深結(jié)果對比

3.2 垂線平均流速測定結(jié)果對比

傳統(tǒng)的測量方法和走航式ADCP同步對垂線平均流速進行測定，得到有效數(shù)據(jù)樣本91個，度傳統(tǒng)的測量方法和走航式ADCP同步測得的垂線平均流速進行分析對比，對比結(jié)果見表2。

表2 垂線平均流速對比

3.3 河道流量測定數(shù)據(jù)對比

傳統(tǒng)的測量方法和走航式ADCP同步對河道流量進行同步測定，得到有效數(shù)據(jù)樣本43個，對傳統(tǒng)的測量方法和走航式ADCP同步測得的河道流量進行分析對比，對比結(jié)果見表3。

表3 河道流量對比

通過表1～表3測量數(shù)據(jù)的對比，可以發(fā)現(xiàn)基于走航式ADCP對水文數(shù)據(jù)的測量方法相比于傳統(tǒng)的流速儀測量方法具有很多無法比擬的優(yōu)點，例如測量效率高，測量操作過程簡單，測量的水文數(shù)據(jù)完整全面。幾年來，吉林某水文站在利用ADCP進行水文測量的過程中，對走航式ADCP的使用方法有了充分的理解，積累了豐富的使用經(jīng)驗。圓滿的完成了水文站的測量任務，為水利部門進行水源調(diào)度以及河道的治理和利用規(guī)劃提供了大量真實有效的第一手數(shù)據(jù)，大大提高了水利部門的工作效率。

4 走航式ADCP系統(tǒng)適應性分析

4.1 走航式ADCP不適合在含沙量過高的河道中使用

在含沙量較高的河道中進行水文測量不適合使用頻率較高的走航式ADCP水文測量系統(tǒng)，因為在含沙量比較高的河道，河道深度測量和河道底部流量跟蹤數(shù)據(jù)實效的幾率會大大上升。在運用低頻率的走航式ADCP水文測量系統(tǒng)時，所測河道的深度不能太淺，否則測得的數(shù)據(jù)也會很容易失去真實性。在河道比較淺的區(qū)域可以考慮使用窄帶ADCP。在一些含沙量比較高或者由于河道深度過淺無法使用走航式ADCP測量系統(tǒng)的河道，進行水文測驗時可以使用GPS進行測量船速度的測定。在進行河道深度進行測定時可以采用深度探測儀進行測量，雖然操作繁瑣，還是可以滿足使用要求的。

4.2 河底推移質(zhì)運動影響測量結(jié)果

在河道底部如果存在淤泥比較多。在水速度比較快的情況下，會對河道底部的淤積物造成沖擊形成推移質(zhì)運動。推移質(zhì)的運動會直接導致河道底部水文測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，影響測量數(shù)據(jù)的準確性。在河道底部淤積物較多的河道可以利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)對測量船的速度進行測量，減少推移質(zhì)運動對測量數(shù)據(jù)造成的影響。

4.3 深度測定單元尺寸的選擇

深度單元尺寸對水文測驗中各個數(shù)值的測量具有很大的影響。在測量流速過程中的垂向分辨率，流速測量的精度，水流剖面的深度等等均會被深度單元尺寸的選擇影響。根據(jù)以往在走航式ADCP水文測量系統(tǒng)使用過程中積累的經(jīng)驗，深度單元尺寸選擇越小，測量的精度也會跟著變低。在一般的水文數(shù)據(jù)的測定中，為了盡可能的增大水流測定范圍，在河道深度比較深的區(qū)域往往會選擇比較大的深單元尺寸，在河道深度比較淺的區(qū)域采用相對較小的深度測定單元。

4.4 其他注意事項

在使用走航式ADCP水文測量系統(tǒng)進行水文測驗時，需要保護好對各個部件進行良好的保護，保護計算機操作系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換器等部件不受損壞。在操作的過程中嚴格按照測量系統(tǒng)的操作規(guī)定的使用要求進行操作。在進行不同部件連接的過程中，要細心連接，不可出現(xiàn)類似于電源正負極反向連接的錯誤，反之電路損壞。在進行水文數(shù)據(jù)測量之前，需要用軟件對測量系統(tǒng)進行檢驗，檢驗合格之后才能進行水文測驗。在使用走航式ADCP水文測量系統(tǒng)的過程中，一些數(shù)據(jù)的設(shè)定會對測量結(jié)果造成一定的影響，因此在使用的過程中要注意經(jīng)驗的積累。在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的時候，測量人員對一些異常數(shù)據(jù)要具有敏感性，一般在進行數(shù)據(jù)測量的過程中，會進行兩次以上的測量，多次測量取平均值，確保測量結(jié)果真實有效。

5 結(jié)語

在水文測驗中，隨著科技水平的提高，走航式ADCP水文測量系統(tǒng)開始在測驗中發(fā)揮積極的作用，相比于傳統(tǒng)的測量儀器，走航式ADCP水文測量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)測量速度，操作的過程，測定數(shù)據(jù)的全面性上都具有極大的優(yōu)勢，可以滿足各種情況下對河道水文數(shù)據(jù)的測驗。極大的提高和水文測驗的效率和水文測驗結(jié)果的準確性。但走航式ADCP水文測量系統(tǒng)也有自身存在的不足，隨著科技水平的提升，測量系統(tǒng)也會慢慢完善，在水文測驗中發(fā)揮更大的功用。

[1]張代超,萬紅,汪敏華.水文流量測驗中走航式ADCP技術(shù)的應用分析[J].水利科技與經(jīng)濟.2015(01)：73-74.

[2]陳偉忠,李祥坤.走航式ADCP流量測驗應用初探[J].價值工程.2012(14)：.

[3]馬東,高強.走航式ADCP在水文流量測驗中的應用[J].科技創(chuàng)新導報.2010(36)：.

[4]霍中元.走航式ADCP在三河閘流量測驗中的應用[J].黑龍江水利科技.2014(02)：.