ADCP及其在水文測驗中的應(yīng)用研究

陳金徐

摘要：隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，我國水利工程走上了快車道，水利技術(shù)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進步息息相關(guān)，水利工程的建設(shè)與人們生活、生產(chǎn)活動存在密切聯(lián)系。結(jié)合目前情況來看，我國多項科學(xué)技術(shù)在水利建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，改善了水利項目的質(zhì)量。本文以ADCP（英語：Acoustic Doppler Current Profiler）在水文測驗中的具體應(yīng)用為例，對該設(shè)備的原理、優(yōu)勢和應(yīng)用中的優(yōu)缺點展開探討，旨在為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：ADCP;水文測驗;應(yīng)用研究

在科學(xué)技術(shù)支撐下，水文測驗中應(yīng)用到的新設(shè)備類型越來越多，技術(shù)越來越先進，以ADCP在水文站測驗中的應(yīng)用為例，相比傳統(tǒng)測驗技術(shù)，該技術(shù)靈活性更高，應(yīng)用成本低、操作簡單，測量的數(shù)據(jù)結(jié)果全面。但是水下環(huán)境變量多，水文測驗工作難度大，技術(shù)人員要明確ADCP應(yīng)用中的要點、難點環(huán)節(jié)才能提高測驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，保證ADCP的應(yīng)用效果。

1、ADCP應(yīng)用原理和測量方式

ADCP是聲學(xué)多普勒流速剖面儀（英語：Acoustic Doppler Current Profiler）的縮寫，是一種用于測量水速、水流量的水聲學(xué)流速計。其作用原理與聲吶類似，在具體應(yīng)用過程中依賴聲波換能器和聲脈沖波測量水流量和流速，ADCP向被測水體環(huán)境中發(fā)射聲波，在水體的作用下聲波以散射的方式發(fā)出回波信號，當(dāng)ADCP接收到回波信號之后對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，利用ADCP的多普勒效應(yīng)計算出水體中的流速。起初ADCP是RD Instruments公司于19世紀80年代推出的產(chǎn)品系列名稱，發(fā)展至今已經(jīng)成為同一類型聲學(xué)流速計的代名詞。在測量水文環(huán)境中的水流量和水流速時首先要在測量對象的具體位置處放置并固定好聲波換能器，要保證所選位置具代表性，要避免在水流量和水流速超出正常數(shù)值處放置聲波換能器，以免給測量數(shù)據(jù)的代表性、完整性造成影響。從聲波換能器中發(fā)射出一定頻率的聲脈沖波時候，根據(jù)不同頻率之間產(chǎn)生的差值就可以計算出所在區(qū)域水流速的大小，聲脈沖波頻率差值的產(chǎn)生是由于聲波發(fā)射的位置、角度不同。以上是理論性的測量方式的，但是在ADCP實際應(yīng)用過程中，水體環(huán)境中的水流速和水流量是呈動態(tài)變化的，ADCP的優(yōu)勢在于可以對動態(tài)變化的水體進行實時、動態(tài)測量，并不會影響測驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，與此同時，為保證測量數(shù)據(jù)的全面性和精準(zhǔn)度，在測驗過程中需要ADCP從多角度、多方位、多維度發(fā)射聲脈沖。通過這種測驗方式，可以精準(zhǔn)測量河流流速、流量以及斷面流速，提高測量結(jié)果的全面性，聲波換能器的應(yīng)用可以大大提高測量結(jié)果的真實性和可靠性。結(jié)合ADCP的實際應(yīng)用情況來看，其應(yīng)用優(yōu)勢比較明顯，首先體現(xiàn)在ADCP的遙感屬性方面，該設(shè)備體積小、攜帶和安裝都比較方便且測量范圍廣，可以大大提高水體環(huán)境測量工作的效率，降低測量難度，促進水體環(huán)境測量工作的穩(wěn)步發(fā)展。除此以外，ADCP沒有活動部件，面對復(fù)雜的水體環(huán)境也能表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，沒有活動部件的優(yōu)勢使得ADCP在實際應(yīng)用時不會受到水下生物的影響，可長時間在水下工作，在動態(tài)的水流量和水流速變化中有著極大的應(yīng)用優(yōu)勢。

2、ADCP在水文測驗中的應(yīng)用

眾所周知，水文測驗工作具有一定的復(fù)雜性、系統(tǒng)性和綜合性，水流量、水位、水流速測驗過程中受到降雨量、天氣變化、地下水流動、地質(zhì)條件等多方面因素的影響，水體環(huán)境中的各項參數(shù)指標(biāo)都是呈現(xiàn)動態(tài)變化的，測量數(shù)據(jù)要保證其及時性才能提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度和全面性。隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，各類新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水文監(jiān)測、水文流量測驗中，以ADCP為代表的設(shè)備在水文測驗中的應(yīng)用，可以大大提高了河流測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，該設(shè)備測量范圍廣、體積小、成本低，測驗的流速不僅包括主河流流速還可以精準(zhǔn)測量靠近河岸兩邊的水流流速。

2.1明確水文流量目的

ADCP是一種先進的流量監(jiān)測設(shè)備，發(fā)展至今在水文環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用廣泛，應(yīng)用效果明顯，其中包含四個換能器，水文環(huán)境比較復(fù)雜，ADCP在水文環(huán)境測驗中有著明顯的優(yōu)勢，通過合理、科學(xué)應(yīng)用測得數(shù)據(jù)可以對河流水體進行有效治理。隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各個行業(yè)的生產(chǎn)活動對水環(huán)境造成的影響比較大，加強水體環(huán)境中流量、流速、水生物的測量可以保證河流周邊環(huán)境的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為防洪抗旱工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。一般情況下，對于中小河流而言，該類河流區(qū)域擁有肥沃的土壤，居住著大量居民，河流中的水的情況會對當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活造成直接影響。河流水汽流動靈活性強，天氣變化、降雨量、季節(jié)變化、地質(zhì)條件會對河流流速、水位造成較大的影響，利用ADCP測量水流流速、水流量在保障河流周邊居民正常生產(chǎn)生活，提高水資源利用率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面有著重要的意義。

2.2優(yōu)化ADCP技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化

如上文所述，ADCP具有體積小、方便攜帶、安裝簡單等特征，在利用ADCP對河流水文及其測驗時要根據(jù)河流流速以及需要測量的要求確定好安裝位置，通過遙感控制ADCP進行聲脈發(fā)射，在水中發(fā)射之后會產(chǎn)生反射，水流流速的變化會對聲脈頻率產(chǎn)生影響，通過對反射波脈沖和發(fā)射脈沖進行對比，利用頻率的不同對水體流速進行計算。值得注意的是，在ADCP具體運用過程中可能會出現(xiàn)測驗誤差，為了提高數(shù)據(jù)收集分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須要明確產(chǎn)生誤差的具體原因進行分析，通過對ADCP放置位置、數(shù)據(jù)接受頻率進行調(diào)整，以降低測驗誤差造成的影響，具體來看，ADCP測驗誤差主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先， 在一些含沙量較大的水域進行測量時，受到砂石的影響，聲波反射過程中會被吸收一部分，有些距離換能器較近的區(qū)域會產(chǎn)生很大的回波強度，對于距離換能器較遠的區(qū)域，回波強度會下降，上述情況會使得ADCP剖面深度減小，從而對ADCP底跟蹤和水深測量誤差增加，甚至?xí)霈F(xiàn)失效的問題。除此以外，在流量測驗過程中，所選取深度單元尺寸如果存在差異也會給最終的測量精準(zhǔn)度造成影響，例如，當(dāng)單元尺寸較小時水流流量、流速測量的分辨率高，在這種情況下可以進行大范圍測量，但是精準(zhǔn)度會降低。如果單元尺寸選擇較大，相應(yīng)的測量范圍會降低，但是測量精準(zhǔn)度會明顯提升。其次，通過不同的脈沖數(shù)據(jù)輸出可以對流速以及流量的測量精度造成直接影響。一般情況而言，當(dāng)一些單脈沖的數(shù)據(jù)在輸出時會使ADCP 在單位時間內(nèi)脈沖采樣速率產(chǎn)生一定程度的下降，從而對測量結(jié)果的精度造成一定程度的影響。除此之外，當(dāng)一些多脈沖數(shù)據(jù)再進行輸出時，會使數(shù)據(jù)處理的時間降低，提高脈沖發(fā)射數(shù)量。針對不同的誤差類型，技術(shù)人員在開展水文測驗工作時首先要明確產(chǎn)生誤差的主要原因，通過適當(dāng)調(diào)整ADCP的發(fā)射頻率，通過控制頻率來降低頻率引起的誤差。也可以通過調(diào)整底跟蹤脈沖強度降低推移質(zhì)造成的誤差，總而言之，水文測量工作本身就具有一定的復(fù)雜性，測量人員要加強對細節(jié)性問題的管控才能提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、結(jié)語

綜上所述，ADCP在水文環(huán)境測驗中的引用具有明顯的優(yōu)勢，針對復(fù)雜的水下環(huán)境，該設(shè)備可以進行動態(tài)、實時監(jiān)測，提高測驗數(shù)據(jù)的及時性、精準(zhǔn)性，技術(shù)人員要明確該設(shè)備的優(yōu)勢和缺點，加強對細節(jié)性問題的管理，可以有效降低測驗過程中產(chǎn)生的誤差，相比其他測量設(shè)備來說可以簡化測驗工序，提高工作效率，為水利工程建設(shè)、抗洪防旱工程提供全面、及時的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻：

[1]吳遠向，胡文麗.淺析ADCP在中小河流水文測驗中的應(yīng)用[J].科技視界，2013（22）：175.

[2]孔焱.淺議ADCP在中小河流水文測驗中的應(yīng)用[J].電子制作，2013（22）：33.

[3]韋婷婷. 水文監(jiān)測中ADCP流量測驗與誤差控制探索[J]. 治淮， 2021（5）：2.