走航式ADCP 在水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

張彩鑫

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

走航式ADCP 在水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用技巧與方式多樣化。在計(jì)算平均流速和流量時(shí)，要想得出更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，就要考慮不同區(qū)域的水流情況，適當(dāng)調(diào)整計(jì)算公式。通常來(lái)說(shuō)，水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)是根據(jù)水流斷面上分布的垂線位置的側(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算的，當(dāng)水流斷面形成多個(gè)小斷面時(shí)，還可以針對(duì)不同的斷面分別進(jìn)行測(cè)量，再取平均值，最終得出更加可靠的數(shù)據(jù)。

1 走航式ADCP 簡(jiǎn)介

1.1 走航式ADCP 基本原理

走航式ADCP 指的是利用聲學(xué)多普勒流速剖面的原理來(lái)高效測(cè)量斷面流速的一種方式，其包括走航式ADCP 換能器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)、外接設(shè)備、傳感器等組成部分，其中外接設(shè)備包括線桿、側(cè)桿、固定桿等，這些重要的器件共同構(gòu)成了一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，走航式ADCP 架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 走航式ADCP 架構(gòu)

走航式ADCP 的具體工作流程如下：ADCP 換能器在經(jīng)過(guò)換能轉(zhuǎn)換之后會(huì)形成聲波脈沖，這些聲波脈沖隨著水流的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使得其中的懸浮物質(zhì)產(chǎn)生多普勒平移，進(jìn)而發(fā)生多普勒變化，變化產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，并向外輸出有效的信息[1]。不過(guò)ADCP 主要測(cè)量的是在水流層面當(dāng)中的三維流速及其具體的流向，這些由懸浮顆粒形成的回波也可以再次反饋給ADCP 換能器和被接收器，產(chǎn)生的顆粒運(yùn)動(dòng)就會(huì)形成特定的多普勒平移。根據(jù)這些平移獲得聲波頻率，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的頻率參數(shù)，可以獲得更加精準(zhǔn)的水流速度。在實(shí)際測(cè)量時(shí)還要考慮到船只行駛的速度，通過(guò)運(yùn)算公式得到更加精確的水流流速。除此之外，也可以采用其他的傳感器接收由水波中的雜質(zhì)顆粒形成的反饋信號(hào)。

1.2 走航式ADCP 基本特點(diǎn)

走航式ADCP 具有動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)量方式。測(cè)量方式通常以巡測(cè)為主，駐測(cè)為輔。為了獲得更加精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)實(shí)際的水文情況、流速大小、地勢(shì)情況、地理氣候等因素，調(diào)整測(cè)量的方案和具體的參數(shù)[2]。

傳統(tǒng)的測(cè)量方式下，測(cè)探器容易受到河流當(dāng)中的雜物、石頭、樹(shù)木等障礙物的影響，而走航式ADCP則可以更好地克服障礙物的因素。走航式ADCP 中的測(cè)探器、傳感器可以發(fā)揮較大的正向作用，使得走航式ADCP 具備集成化的特性，可以有效躲避障礙，具備較強(qiáng)的穩(wěn)固性。由于走航式ADCP 利用了更加精準(zhǔn)的測(cè)算技巧和計(jì)算方式，誤差比較小，適用于大多數(shù)的水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方式存在的弊端，具備智能化、高效率的特點(diǎn)，有利于節(jié)省人力物力。同時(shí)，走航式ADCP 也具備更高的安全性能，可以有效避免一些安全隱患[3]。

2 走航式ADCP 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 靈活性

走航式ADCP 采取的測(cè)量方法靈活多變，可以根據(jù)水文測(cè)區(qū)流域的實(shí)際情況以及船只的移動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和路線。相較于傳統(tǒng)方式而言，走航式ADCP 不需要采用固定的流速儀也可以隨著行船的變化進(jìn)行移動(dòng)，不僅可以測(cè)量船只的直線速度，還可以測(cè)量水文測(cè)區(qū)內(nèi)部船只以及其他物體的流動(dòng)速度，并且能夠動(dòng)態(tài)化地改變測(cè)量的時(shí)間和方式。

2.2 存儲(chǔ)性能強(qiáng)

走航式ADCP 的存儲(chǔ)性能比較強(qiáng)，其采用了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的人工存儲(chǔ)記錄方式，這種先進(jìn)的存儲(chǔ)方式能夠有效地節(jié)省時(shí)間，減少人力的投入，為整體的水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目減少成本。

2.3 抗干擾能力強(qiáng)

走航式ADCP 具備較強(qiáng)的抗干擾能力，除非面臨難以克服的環(huán)境災(zāi)害，在大多數(shù)情況下，走航式ADCP 都能夠在水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)的過(guò)程中全方位地發(fā)揮其效能，實(shí)現(xiàn)良好的測(cè)速效果。目前，多地都開(kāi)始利用走航式ADCP 解決水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)中的各項(xiàng)干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的防汛抗旱效果，為水環(huán)境保護(hù)工程提供更精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)流量信息[4]。

3 具體案例應(yīng)用方式

3.1 測(cè)站概況

某水文站位于反調(diào)節(jié)水庫(kù)下游約2.8 km 處，距離河口870 km2，集水面積為69.46 萬(wàn)km2。該站設(shè)立于2007 年5 月，是反調(diào)節(jié)水庫(kù)的出庫(kù)站，2008 年10月水利部批復(fù)為國(guó)家基本水文站，是國(guó)家重要水文站。該站測(cè)驗(yàn)河段順直段為卵石復(fù)式河床，常年比較穩(wěn)定。河道屬于卵石河床，斷面穩(wěn)定，全年長(zhǎng)期含沙量為0。除了調(diào)水調(diào)沙期間以外，大部分時(shí)間河道流量小于2000 m3/s，斷面穩(wěn)定，含沙量為0，非常適合ADCP 流量測(cè)驗(yàn)。

近年來(lái)，該水文站測(cè)驗(yàn)河段多次出現(xiàn)水草茂盛期，使用流速儀進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，需要不斷清除流速儀上纏繞的水草，不僅延長(zhǎng)了測(cè)流時(shí)間，影響了測(cè)驗(yàn)精度，還增加了工作強(qiáng)度。而ADCP 可以在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)而迅速地進(jìn)行測(cè)流，因此需要在水流平穩(wěn)的時(shí)候，使用ADCP 與流速儀測(cè)流，并進(jìn)行比測(cè)分析，尋找該站適合使用ADCP 的條件，推廣ADCP 在該站水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用。

3.2 比測(cè)方案

3.2.1 比測(cè)儀器

主要使用LS25-3 型流速儀、“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 進(jìn)行測(cè)量。

（1）LS25-3 型流速儀。LS25-3 型是一種大量程的流速儀，用于河道、水電站壓力管道、溢洪道、大壩工程合攏的高速測(cè)量，以及水庫(kù)、湖泊和一般河流的中、低速測(cè)量。

（2）“瑞江”牌河流型寬帶ADCP。“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 是當(dāng)前在水文行業(yè)推廣的一種新型測(cè)流儀器，該儀器利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水流速度剖面，具有測(cè)驗(yàn)時(shí)間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)。

“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 的4 個(gè)探頭可以發(fā)射不同頻率的波束信號(hào)，信號(hào)接收按波束獨(dú)立處理，并轉(zhuǎn)換成波束相對(duì)速度，在斷面水草茂盛的河段內(nèi)，由于探頭不與水草直接接觸以及聲波波束的穿透性，ADCP 流速測(cè)量受水草的影響大幅降低。

3.2.2 比測(cè)時(shí)間

比測(cè)時(shí)間為 2019 年 7—8 月、2020 年和 2021 年平水期，盡可能選擇受水草影響較小的情況下進(jìn)行比測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3.2.3 取得比測(cè)資料

本次比測(cè)實(shí)驗(yàn)取得31 個(gè)ADCP 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和流速儀法水位-流量樣本作為試驗(yàn)分析資料。

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，流速儀法水位-流量關(guān)系曲線如圖2 所示，ADCP 法水位-流量關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 流速儀法水位-流量關(guān)系曲線

圖3 ADCP 法水位-流量關(guān)系曲線

對(duì)ADCP 法和流速儀法測(cè)驗(yàn)的水位-流量關(guān)系曲線進(jìn)行合理性檢驗(yàn)：流速儀法的水位-流量關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為4.81%，隨機(jī)不確定度為9.62%；ADCP法的水位-流量關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為1.08%，隨機(jī)不確定度為2.16%。均滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）中關(guān)于水位-流量關(guān)系定線指標(biāo)的要求[5]。

3.4 成果對(duì)比分析

3.4.1 誤差分析

參考《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）中水位-流量關(guān)系曲線定線要求：“75%以上的高水位點(diǎn)據(jù)與平均線的偏差不超過(guò)±5%，75%的低水位點(diǎn)據(jù)與平均線的偏差不超過(guò)±8%”，本文中ADCP 法與流速儀法水位-流量關(guān)系曲線定線合理。

3.4.2 誤差來(lái)源分析

產(chǎn)生誤差較大的主要原因是：在一次測(cè)流時(shí)間內(nèi)，由于受水庫(kù)調(diào)節(jié)影響，水位變化幅度較大。ADCP測(cè)驗(yàn)時(shí)歷時(shí)較短，一般為20 min，受水位變化影響較?。欢魉賰x測(cè)驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)，一般為90 min，受水位變化影響較大，二者無(wú)法做到完全同步，從而造成測(cè)驗(yàn)結(jié)果誤差較大。

經(jīng)計(jì)算分析，4000 m3/s 流量級(jí)以下、含沙量為0時(shí)，ADCP 和流速儀實(shí)測(cè)成果相關(guān)關(guān)系良好，具有一定的適用性。

4 應(yīng)用注意事項(xiàng)

在水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，走航式ADCP 應(yīng)用的注意事項(xiàng)大致有以下4 個(gè)方面。

（1）在利用走航式ADCP 測(cè)量流速的時(shí)候，需要提前對(duì)走航式ADCP 及其運(yùn)行效率進(jìn)行檢測(cè)，確保走航式ADCP 具備較強(qiáng)的可用性與穩(wěn)定性。在調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)后，仍然可以更精準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)量，保證其不會(huì)出現(xiàn)參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確的情況。

（2）由于走航式ADCP 屬于聲學(xué)測(cè)量?jī)x，會(huì)受到聲波傳遞的影響，需要考慮的外界因素較多，對(duì)外界條件的要求往往會(huì)比較嚴(yán)苛。例如，最常見(jiàn)的干擾因素就是由于泥沙含量過(guò)高而導(dǎo)致的聲波干擾現(xiàn)象，過(guò)多的泥沙會(huì)阻礙水下?lián)Q能器獲取對(duì)應(yīng)的多普勒聲學(xué)聲波，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行接下來(lái)各項(xiàng)步驟的測(cè)算。所以在執(zhí)行走航式ADCP 操作之前要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行更合理的測(cè)算，保證走航式ADCP 各項(xiàng)流程的順利進(jìn)行。

（3）為了將誤差控制在更低的范圍內(nèi)，要準(zhǔn)確檢驗(yàn)走航式ADCP 測(cè)驗(yàn)過(guò)程中的限制因素，考慮其運(yùn)行到河底的推移運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度造成很大的影響。在對(duì)盲區(qū)的水流區(qū)域進(jìn)行流速測(cè)試時(shí)，還需要安裝特定的儀器設(shè)備，采取更加精確的測(cè)量方式，一般來(lái)說(shuō)在對(duì)接更加復(fù)雜的水文地段時(shí)，可以采用含有30 個(gè)以上脈沖的數(shù)據(jù)值來(lái)求取平均值，最終得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

（4）在使用走航式ADCP 時(shí)，應(yīng)具備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判意識(shí)，降低安全隱患的發(fā)生概率。例如，當(dāng)處于暴雨或者其他惡劣天氣下，水文運(yùn)動(dòng)會(huì)受到較大的影響，發(fā)生河水上漲、風(fēng)急浪大、泥石流等情況，在水流內(nèi)部還可能會(huì)涌現(xiàn)出較多的雜物，導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞。為了保障走航式ADCP 的穩(wěn)定性與安全性，技術(shù)人員需要進(jìn)一步預(yù)防各類風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)根據(jù)所在地的天氣因素及時(shí)終止測(cè)驗(yàn)，在條件合適的情況下再進(jìn)行下一步的測(cè)量，通過(guò)測(cè)試各個(gè)位置的水文測(cè)區(qū)流量情況，找到最為穩(wěn)定的區(qū)域，避開(kāi)不利因素的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，走航式ADCP 主要包括走航式ADCP換能器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)、傳感設(shè)備等組成部分，利用聲學(xué)多普勒流速剖面的原理來(lái)高效測(cè)量斷面流速，測(cè)量水流層面三維流速以及流向。本文通過(guò)對(duì)某水文站4000 m3/s 流量級(jí)以下、含沙量為0 時(shí)的流速儀法和ADCP 法流量測(cè)驗(yàn)的對(duì)比分析，建立了兩者的相關(guān)關(guān)系，并對(duì)誤差進(jìn)行分析，其結(jié)果均滿足規(guī)范要求，這表明ADCP 可以在該水文站投入使用?？傮w來(lái)說(shuō)，ADCP 測(cè)驗(yàn)方法快捷可靠，能夠獲取較為準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方面起到了推動(dòng)作用，為防洪減災(zāi)工作提供可靠的保障。