國產走航ADCP在線測流系統(tǒng)比測分析

楊衛(wèi)東，潘仁紅

（1.南寧水文中心，南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

0 前言

聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Cur?rent Profilers簡稱為ADCP），是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種新型測流設備，利用多普勒效應原理進行流速測量。ADCP突破了傳統(tǒng)機械轉動為基礎的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號，經測定多普勒頻移而測算出流速。ADCP具有能直接測出斷面的流速剖面、不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點。ADCP設備所進行的多普勒測流技術具有廣闊的應用前景，ADCP測量的海流速度信息在油氣開發(fā)、運輸、生物環(huán)境觀察等海洋應用領域中不可或缺，而且ADCP測得的河流湖泊流速信息在河流水文研究、河流航道安全、河道流量監(jiān)測及洪水預警方面具有重要意義。

目前國內使用的ADCP基本依賴進口，核心技術長期由國外壟斷，水文設備長期受國外制約，對經濟安全、生態(tài)安全和國家安全都會產生一定影響。由于水文行業(yè)具有極強的公益性、基礎性、戰(zhàn)略性，關系到經濟安全、生態(tài)安全和國家安全。河道流量測驗ADCP產品國產化成功研制，具有完全自主研發(fā)、設計和生產ADCP的能力，有力地打破了ADCP依賴進口，核心技術長期由國外壟斷的現(xiàn)狀。同時，產品具有完全的自主知識產權，極大地促進了ADCP的國產化和商業(yè)化，能夠有效地提升水文及聲吶產業(yè)層次、延伸產業(yè)鏈，促進產品結構和技術結構的調整。

1 走航ADCP的原理及計算方法

1.1 工作原理

ADCP是一種利用聲學多普勒效應測量水流剖面速度的儀器。ADCP的測量探頭一般裝備有3～5個換能器，換能器與測量探頭軸線呈一定夾角。每個換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射的聲波能量集中于較窄的范圍內，稱為聲束。換能器發(fā)射某一固定頻率為fs的聲波，然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波，由多普勒頻移計算出水流沿其聲束坐標方向的速度。假定顆粒物的運動速度v與水流速度相同，c為聲波在靜止水體中的傳播速度，則聲學多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差fd由以下公式確定：

由式（1）可知，多普勒頻移與水體流速成正比，因此只要測出多普勒頻移，即可計算出水流速度。

1.2 流量計算方法

采用ADCP進行流量測驗，計算流量公式為：

式中：Q為流量；s為測流斷面面積；u為測流斷面某微元處流速矢量；ξ為測船航跡上的單位法線矢量；ds測流斷面上微元面積。

將式（2）變?yōu)椋?/p>

式中：T為跨斷面航行時間；k為垂向單位矢量。

將沿航跡的斷面離散為m個微斷面，則有：

式中：Hi為微斷面i處水深；Δt為相應于微斷面的測量時間平均步長；m為斷面內總的微斷面數(shù)目；V為相應于每一微斷面的深度平均流速矢量。

深度平均流速的x方向分量由下式算出（y方向分量類似）：

式中：VxT為表層平均流速（x向分量）；VxM為中部平均流速（x向分量）；VxB為底層平均流速（x向分量）。

中部平均流速由ADCP直接測出，其值為所有有效單元所測流速之平均。x方向流速分量由下式算出（y方向分量類似）：

式中：uxj為單元j中所測的x向流速分量；n為有效單元的數(shù)目。

表層和底層平均流速和流量，借助于指數(shù)流速剖面來推算表層或底層平均流速及流量：

式中：u為高度Z處的流速；u*為河底剪切流速；Z0為河底粗糙高度；b為經驗常數(shù)，取1/6。

岸邊流量估算，岸邊區(qū)域平均流速的計算公式為：

式中：Va為岸邊區(qū)域平均流速；Vm為起點微斷面（或終點微斷面）內的深度平均流速；α為岸邊流速系數(shù)。

ADCP測量流量時，將測流斷面分成若干個子斷面，在每個子斷面內測量垂線上多點流速并測量水深，從而得到各個子斷面內的平均流速和流量，再將各個子斷面內的流量疊加即得全斷面流量。

2 國內外ADCP的研發(fā)和產品情況

自20世紀80年代開始，國際上ADCP產品在不斷發(fā)展，近年來國內在ADCP的研發(fā)和產品化方面取得了明顯進展，推出了一系列國產ADCP產品，在算法、電路、軟件等方面均有創(chuàng)新性突破，并通過了水利部新產品鑒定，符合《水利部新產品鑒定管理辦法》對新產品的要求，入選水利部《水文測報新技術裝備推廣目錄》《水利先進實用技術重點推廣指導目錄》。

3 國產ADCP在南寧水文站、隆安水文站比測應用

3.1 南寧水文站基本情況

南寧水文站始建于1907年，至今已有110多年歷史，被喻為邕江防汛安全的守護者、邕江水情的“晴雨表”。該站位于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)，是國家重要水文站和珠江流域西江水系郁江上游控制站，集水面積為72 656 km2。主要測驗項目有：水位、流量、泥沙、降雨、蒸發(fā)、水溫、岸溫、水質。有水文纜道1座，走航式和固定式ADCP各1套。

3.2 隆安水文站基本情況

隆安水文站的前身為設立于1957年7月的下顏水文站，2006年1月受水利工程影響，下顏水文站遷移到南寧市隆安縣城，更名為隆安水文站。該站位于南寧市隆安縣城廂鎮(zhèn)新華街1號，是國家重要水文站和珠江流域西江水系右江上游控制站，集水面積為32 709 km2。主要測驗項目有：水位、流量、泥沙、降雨、蒸發(fā)、墑情、水溫、岸溫、水質。有水文纜道1座，走航式和固定式ADCP各1套。

3.3國產ADCP情況

國產ADCP產品商用的公司，具有完全自主研發(fā)、設計和生產ADCP的能力，中海達生產的iFlow RP600和iFlowRP1200ADCP產品得到認可，iFlow系列ADCP產品還通過了水利部新產品鑒定，產品測量性能達到國際先進水平。

中海達iFlowRP600ADCP在寬帶工作模式下，能夠測量的流速剖面可達75 m；測流精度高達0.25%±0.2 cm/s；可選配DGPS作為內置傳感器來獲取坐標或替代底跟蹤功能；支持RS232、RS485以及WIFI數(shù)據(jù)傳輸方式，有效距離2000 m。iFlow?RP1200ADCP產品在寬帶工作模式下，能夠測量的流速剖面可達25 m，測流精度0.25%±0.2 cm/s，可選配DGPS作為內置傳感器來獲取坐標或替代底跟蹤功能；支持RS232、RS485以及WIFI數(shù)據(jù)傳輸方式，有效距離2000 m；此外，上述兩個型號均配備了自主研發(fā)的全中文采集及后處理軟件，方便用戶定制。

國產的iFlow ADCP產品主要有4種不同的安裝方式，分別是智能遙控船、無動力三體船、船體支架、豎直固定式支架的安裝，分別對應4種不同的應用場景，使得ADCP產品可以適用于大多數(shù)河流流域實際測量的使用。

3.4 比測使用情況

為了實際驗證中海達iFlow RP1200ADCP的測量性能，2019年9月3日～4日、2021年10月18日在南寧水文站，2021年10月19日在隆安水文站使用國產iFlowRP1200ADCP分別和國外進口的瑞智600 KADCP、瑞江600 KADCP、CM600水平ADCP、纜道流速儀進行流量比測試驗。

3.4.1 ADCP比測試驗環(huán)境

試驗將ADCP采用三體船安裝方式，使用無線電臺實時傳輸測量數(shù)據(jù)，利用鉛魚吊纜牽引三體船通過測量斷面進行流量測量。比測時，首先安裝iF?lowRP1200ADCP至三體船，然后安裝瑞智600 KADCP、瑞江600KADCP至三體船，接著將兩三體船固定在一起，最后，將iFlow RP1200ADCP測量結果與瑞智600 KADCP、瑞江600KADCP測量結果進行對比。在實際測試過程中，iFlowRP1200ADCP表現(xiàn)出了良好的性能，對比于瑞智600KADCP、瑞江600KADCP差距不大，在硬件、軟件等方面均有其特色，具有較大的創(chuàng)新點和優(yōu)點，且取得了較為理想的測流量結果。

在ADCP設備的安裝與調試方面，iFlow RP1 200 ADCP在較短的時間內完成了在三體船上的安裝與調試，該設備的安裝過程便捷、方便、可靠；在調試過程中，iFlowRP1200ADCP設備調試順利，設備可靠性較高。

3.4.2 ADCP流量測試結果對比

在流量測量數(shù)據(jù)方面，iFlow RP1200ADCP表現(xiàn)出了較好的測量結果，其結果與瑞智600KADCP、瑞江600KADCP的流量測試結果相差很小，驗證了iF?low RP1200ADCP設備測量的有效性，具體見流量測量部分數(shù)據(jù)對比分析。2019年9月3日～4日、2021年10月18日～19日，分別采用RP1200ADCP分別與瑞智600KADCP、瑞江600KADCP進行了7次測回，28個有效測次，以及1次流速儀流量測次，共29個有效測次。FlowRP1200ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器的29個測次兩個系列的流量、斷面面積、水面寬、平均流速等項目比測成果分別見表1和圖1～圖4。29個測次流量驗測時，現(xiàn)場風小船少，外界環(huán)境影響因素較小。試驗過程嚴格遵守《聲學多普勒流速儀測流規(guī)范》（SL 377-2006）中流量驗測的方法和要求。

圖1 中海達與瑞智、瑞江ADCP流量關系線

圖2 中海達與瑞智、瑞江ADCP斷面面積關系線

圖3 中海達與瑞智、瑞江ADCP水面寬關系線

圖4 中海達與瑞智、瑞江ADCP平均流速關系線

表1 中海達RP1200與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀比測統(tǒng)計表

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29統(tǒng)計值2021-10-18 12：01：00 2021-10-18 12：07：00 2021-10-18 12：13：00 2021-10-18 11：45：00 2021-10-19 10：50：00 2021-10-19 10：56：00 2021-10-19 11：02：00 2021-10-19 11：08：00 2021-10-19 11：31：00 2021-10-19 11：38：00 2021-10-19 11：46：00 2021-10-19 11：05：00均值最大值最小值67.01 67.01 67.01 67.01 76.37 76.37 76.38 76.38 76.38 76.39 76.40 76.41 2090 2100 2120 2090 576 553 583 563 601 598 590 606 2120 2130 2130 1980 579 564 593 567 590 603 596 613-1.42-1.41-0.47 5.56-0.52-1.95-1.69-0.71 1.86-0.83-1.01-1.14-2.11-6.48 0.00 3510 3510 3510 3510 1270 1240 1280 1260 1260 1270 1270 1280 3510 3520 3510 3530 1260 1270 1270 1280 1280 1280 1290 1270 0.00-0.28 0.00-0.57 0.79-2.36 0.79-1.56-1.56-0.78-1.55 0.79-1.57-3.78 0.00 327 327 327 327 183 178 186 183 182 183 183 180 326 326 326 326 182 184 184 184 180 181 184 181 0.31 0.31 0.31 0.31 0.55-3.26 1.09-0.54 1.11 1.10-0.54-0.55-0.65-3.68-0.30 0.60 0.60 0.61 0.60 0.47 0.44 0.48 0.45 0.47 0.48 0.47 0.48 0.60 0.61 0.61 0.58 0.46 0.45 0.47 0.44 0.46 0.47 0.48 0.48-0.50-1.64 0.00 3.45 2.17-2.22 2.13 2.27 2.17 2.13-2.08 0.00 1.06 5.17 0.00流速儀在隆安站進行中海達RP1 200與RDI瑞江600K流量比測

（1）如表1、圖1所示，用iFlow RP1200 ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器的29個測次兩個系列的流量進行相關分析，y=1.0 689x-81.146，其中y為瑞智、瑞江ADCP的實測流量，x為iFlow RP1200 ADCP的實測流量，R2=0.9 975，相關系數(shù)高，相關性好；這兩個系列的流量誤差平均值為-2.11%，單次最大誤差為-6.48%，最小誤差為0，滿足規(guī)范要求；測量結果證明iFlow RP1200 ADCP測量性能穩(wěn)定。

（2）如表1、圖2所示，用iFlow RP1200 ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器的29個測次兩個系列的斷面面積進行相關分析，y=1.0 265x-25.115，其中y為瑞智、瑞江ADCP的實測斷面面積，x為iFlow RP1200 ADCP的實測斷面面積，R2=0.9 989，相關系數(shù)高，相關性好；這兩個系列的斷面面積誤差平均值為-1.57%，單次最大誤差為-3.78%，最小誤差為0，滿足規(guī)范要求；測量結果證明iFlow RP1200 ADCP測量性能穩(wěn)定可靠。

（3）如表1、圖3所示，用iFlow RP1200 ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器的29個測次兩個系列的水面寬進行相關分析，y=1.0 136x-1.8 127，其中y為瑞智、瑞江ADCP的實測水面寬，x為iFlow RP1200 ADCP的實測水面寬，R2=0.9 973，相關系數(shù)高，相關性好；這兩個系列的水面寬誤差平均值為-0.65%，單次最大誤差為-3.68%，最小誤差為-0.30%，滿足規(guī)范要求；測量結果證明iFlow RP1200 ADCP測量性能穩(wěn)定可靠。

（4）如表1、圖4所示，用iFlow RP1200 ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器的29個測次兩個系列的平均流速進行相關分析，y=1.0 079x-0.0 973，其中y為瑞智、瑞江ADCP的實測平均流速，x為iFlow RP1200 ADCP的實測平均流速，R2=0.9 997，相關系數(shù)高，相關性好；這兩個系列的平均流速誤差平均值為1.06%，單次最大誤差為5.17%，最小誤差為0，滿足規(guī)范要求；測量結果證明iFlow RP1200 ADCP測量性能穩(wěn)定可靠。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）中“穩(wěn)定的水位流量關系曲線、臨時曲線法的主要曲線及經單值化處理的單一線，均應計算實測點對關系線的標準差、隨機不確定度和系統(tǒng)誤差。”“水位流量關系曲線為單一曲線，臨時曲線的主要曲線及經單值化處理的單一線，且測點在10個以上者，應做符號檢驗，適線檢驗和偏離檢驗?！钡囊?，對iF?low RP1200 ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器實測29個測次兩個系列的流量進行曲線檢驗計算，做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗和計算實測點對關系線的標準差、隨機不確定度和系統(tǒng)誤差（見表2）。

表2 中海達RP1200與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP流量關系曲線檢驗計算表

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29樣本容量：N=29符號檢驗：u=-0.85適線檢驗：U=-1.02偏離數(shù)值檢驗：|t|=1.06標準差：Se=2.5%75643122 2 23 24 25 26 27 28 29 67.98 68.00 68.00 69.20 69.25 69.30 69.30 76.37 76.37 76.38 76.38 76.38 76.39 76.40 76.41 3800 3810 3850 4300 4250 4430 4330 576 553 583 563 601 598 590 606 3940 3940 3990 4400 4390 4630 4560 579 564 593 567 590 603 596 613-3.55-3.30-3.51-2.27-3.19-4.32-5.04-0.52-1.95-1.69-0.71 1.86-0.83-1.01-1.14-2.27-2.02-2.23-0.99-1.91-3.04-3.76 0.76-0.67-0.40 0.58 3.15 0.45 0.28 0.14正號個數(shù)：4.5允許：1.15（顯著性水平a=0.25）允許：1.28（顯著性水平a=0.25）允許：1.31（顯著性水平a=0.20）隨機不確定度：5.0%5.16 4.07 4.96 0.98 3.64 9.22 14.15 0.58 0.45 0.16 0.33 9.90 0.21 0.08 0.02符號交換次數(shù)：8合格免檢合格系統(tǒng)誤差-1.28%

由表2可知，iFlow RP1200 ADCP與RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速儀等儀器實測29個測次兩個系列的流量進行曲線檢驗，符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗均符合規(guī)范要求，標準差為2.5%、隨機不確定度為5.0%、系統(tǒng)誤差為-1.28%，符合流速儀法測流定線國家重要水文站一類精度的規(guī)定。測量結果證明iFlow RP1200ADCP測量性能穩(wěn)定可靠。

4 結語

（1）國產ADCP操作簡單便捷，獲取數(shù)據(jù)信息完備、質量較好，所測流量、斷面面積、水面寬、斷面面積、平均流速均具有較好的一致性，測量數(shù)據(jù)結果滿足規(guī)范要求。

（2）國產ADCP在各個方面均表現(xiàn)出良好的性能。①國產ADCP具有自主的獨特設計，完全滿足流量測量所需數(shù)據(jù)的采集；②國產ADCP配備的測流量軟件與國外ADCP配備的軟件同樣能便捷實用，在測試過程中和測量完成后的數(shù)據(jù)分析過程中，均有較好的用戶體驗；③配套的測流軟件支持測繪類常用功能，如內置GPS導航模塊，支持DXF底圖導入，支持不同參考系統(tǒng)下的大地坐標轉換，適應AD?CP在水文測繪領域的各種專業(yè)應用，測量結果支持國內水文行業(yè)標準成果導出，并且支持自定義成果導出，深度貼合國內水文測量作業(yè)的需求。