水文監(jiān)測中ADCP流量測驗與誤差控制分析

趙小寧

（河北省石家莊水文勘測研究中心，河北 石家莊 050051）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，簡稱ADCP），在河流平均水深不超過2 m、單元高度在10 cm 左右時，具有較高的監(jiān)測精準(zhǔn)度。當(dāng)水文中存在著流沙、磁場以及河床不確定等相關(guān)因素時，ADCP 流量測驗的準(zhǔn)確性會受到一定的影響。這時需要采用牽引設(shè)備監(jiān)測，測量過程中還需要注意斷面參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 走航式ADCP 安裝、流量測量原理

1.1 走航式ADCP 安裝

1.1.1 儀器簡介

走航式ADCP 是當(dāng)前水文行業(yè)使用的一種新型高科技測流儀器，同傳統(tǒng)的流速儀相比，具有測流歷時短、精度高、資料完整、流量結(jié)果直接顯示等特點。走航式ADCP 是一款適用于淺水河流應(yīng)用的智能全自動流量測驗系統(tǒng)，適用于淺水河流環(huán)境的5 波束ADCP，4 個測流速波束、1 個測斷面水深波束，通過走航進行檢測。

1.1.2 儀器安置

按照示意圖進行儀器和測桿安裝，需要注意的是3 號波束應(yīng)當(dāng)與船頭方向保持一致，ADCP 插上插頭時需要涂抹硅脂，插入后需要將鎖圈進行上鎖，拔插頭前需要將鎖圈松開。電纜的出線需要通過線卡來進行固定，利用扎帶固定在測桿后引到船上。采用12 V電源，對正負極進行確認，杜絕接反的情況發(fā)生，另外的插頭與計算機串口連接。ADCP 安裝見圖1。

圖1 ADCP 安裝示意圖（單位：mm）

1.1.3 儀器自檢

儀器安裝妥當(dāng)后進行ADCP 檢測、BBTALK 軟件運行的檢查，每天工作前都應(yīng)當(dāng)按照提示進行操作：對串口進行設(shè)置；對ADCP 進行WH 選型；將波特率設(shè)置為9 600；發(fā)送喚醒的命令；對命令文件運行進行自動檢測。

檢測過程：點開文件菜單選擇發(fā)送命令文件，設(shè)備進行自動檢測，提示出現(xiàn)“rubber beam 1”時對波束1 的超聲波發(fā)生面采用手動進行快速摩擦，顯示“pass”為正常。采用同樣的方式對其他波束的超聲波發(fā)射面進行檢測，將傳感器和測桿同時放入水中對其斷面流量進行測量。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集

點開文件菜單選擇采集模式；對通訊口進行設(shè)置，點擊增加，按照實際情況對設(shè)備連接串口的參數(shù)進行設(shè)置；對儀器參數(shù)進行自動設(shè)置，通過配置向?qū)ЫY(jié)合用戶輸入的河流具體數(shù)據(jù)，再結(jié)合RDI 公司的經(jīng)驗數(shù)據(jù)對儀器的參數(shù)進行自動設(shè)置。設(shè)置菜單中進行配置向?qū)нx擇，菜單彈出后根據(jù)實際情況進行資料填寫，尤其需要注意ADCP 配置的填寫，然后進行運行向?qū)Р僮?，程序會結(jié)合數(shù)據(jù)來進行儀器參數(shù)的自動設(shè)置和確定，其中包括水層單元的個數(shù)、厚度以及測流模式等，確定后退出菜單。程序中如果出現(xiàn)流動底等問題窗口會顯示相應(yīng)的警報，不會對儀器參數(shù)進行設(shè)置。對儀器設(shè)置進行檢查時在設(shè)置菜單中選擇配置設(shè)置，對各個菜單的參數(shù)設(shè)置進行檢查，通常不需要對設(shè)置值進行修改。

有經(jīng)驗的用戶可以在命令菜單中選擇個性化命令，對配置文件進行保存時可以在文件菜單中選擇保存配置文件選項，這樣能夠?qū)σ呀?jīng)保存的配置文件隨時調(diào)出。對用戶選項進行設(shè)置時可在設(shè)置菜單中進行選擇，采集模式則可以通過選擇提示配置文件以及正在記錄進行操作，通過X軸坐標(biāo)來進行顯示，需要提前選擇，對平均流速數(shù)據(jù)的個數(shù)進行計算設(shè)置，選擇普通模式中的退出對窗口界面進行自動保存和退出時進行配置的自動保存能夠?qū)?shù)據(jù)進行有效保存，避免漏存的情況發(fā)生，通過高級選項來對單位和公制進行轉(zhuǎn)換設(shè)置。

將參考設(shè)置為水底跟蹤能夠?qū)嗝孢M行測量。斷面測量的過程中需要將船舶靠岸，對發(fā)射進行開始操作，ADCP 就會開始發(fā)射聲波，選擇直看中的列表查看能夠在組合列表中對單低速行駛的情況進行觀察，對有效層數(shù)進行觀察后一旦發(fā)現(xiàn)超過有效層數(shù)就需要停止測量。在采集菜單中選擇開始記錄數(shù)據(jù)的選項后計算機就會對數(shù)據(jù)進行記錄，組合列表中的數(shù)據(jù)個數(shù)能夠?qū)τ涗浀膫€數(shù)進行直觀展示，個數(shù)到達10 之后就會開始測量，對數(shù)據(jù)進行有效采集。船靠岸時有效層數(shù)應(yīng)當(dāng)≥2 層，船停下后等待數(shù)據(jù)個數(shù)到達10 之后，可以在采集菜單中選擇左岸右岸的實際情況檢測，對儀器距離岸邊的距離進行填寫，確定后等待記錄數(shù)據(jù)彈出后對離岸距離進行填寫即可。

1.2 ADCP 流量測驗基本原理

聲源不斷接近能夠?qū)β曊{(diào)進行加大檢測，聲源如果逐漸遠離則聲調(diào)的降低與速度成正比，發(fā)射聲波頻率與回波頻率之間的計算公式如下：

式中：Fd——聲學(xué)多普勒的頻移；

F——發(fā)射波的頻率；

V——物體沿著聲束方向移動的速度，m/s；

C——聲波在水中傳播的速度，m/s。

所有換能器的軸線都能夠代表一個聲束的坐標(biāo)。ADCP 能夠測出所有聲束坐標(biāo)流速的分量，對聲束坐標(biāo)進行直角坐標(biāo)系的換算后計算出具體的流速。

2 ADCP 流量測驗誤差來源分析

2.1 誤差形成

ADCP 流量測驗的誤差分為測速偏差、測深偏差、盲區(qū)流速分布率定偏差、近岸測距偏差、岸邊參數(shù)偏差等，這與測量頻率、測速和單元厚度有著直接的關(guān)系。常規(guī)來說，不同的因素會對測量幅度產(chǎn)生制約的影響，因此參數(shù)的設(shè)置非常重要，如從10 增幅到170 時，誤差就會明顯下降，需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況對參數(shù)進行不斷完善，如果流速超出了設(shè)定的范圍就會導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)，造成數(shù)據(jù)信息的無效監(jiān)測。

2.2 來源分析

河底的推移質(zhì)產(chǎn)生運動能夠嚴重影響到測船的航行速度，在水流速度較快的情況下河底的泥沙就會受到?jīng)_擊形成運行的推移質(zhì)，這樣就會對ADCP 所在測船的航行速度造成影響，監(jiān)測到的水層流速通常小于實際的流速，出現(xiàn)誤差。

水流中泥沙含量較高會導(dǎo)致聲波能量反射和吸收增強，距離換能器較近的區(qū)域會出現(xiàn)較大強度的回波，距離換能器較遠的區(qū)域會出現(xiàn)較小強度的回波，甚至回波強度會比本地噪音更低，這樣就會縮小ADCP的剖面深度。水流中泥沙含量較高會導(dǎo)致ADCP 的跟蹤與水深測量的誤差增大，甚至完全失效。

流量測驗過程中采用的單元尺寸不同也會對測量內(nèi)容造成誤差影響，如水層流速的測量精度、剖面深度以及流速測量的垂直分辨率等。單元尺寸如果比較小，流量測速就會有較高的垂直向分辨率，測量的范圍也會增大，但測量精度會有所下降，也會導(dǎo)致剖面深度出現(xiàn)下降的情況。單元尺寸如果比較大，表層沒有檢測到的區(qū)域就會增加厚度。流速的測量精度與單元尺寸為階躍函數(shù)的關(guān)系。

脈沖數(shù)據(jù)輸出的方法不同對流速和流量的測量精度也會造成影響。單脈沖的數(shù)據(jù)輸出會影響到單位時間內(nèi)ADCP 的內(nèi)脈沖采用個數(shù)和速率，對流速和流量的精度會造成影響。多脈沖的數(shù)據(jù)輸出也會對數(shù)據(jù)處理效率和計算次數(shù)造成影響，需要提升脈沖的發(fā)射數(shù)量。

流量測驗時，非實測區(qū)的表層或底層可以采用指數(shù)公式來進行明渠均勻流速垂直方向分布的表示，也可以通過指數(shù)流速剖面法來進行平均流速的有效估算。

3 ADCP 流量測驗與誤差控制

3.1 室外測驗

3.1.1 定線比測

ADCP 的安裝位置與流速儀設(shè)備為同一側(cè)，可以根據(jù)固定垂線和流速儀監(jiān)測坐標(biāo)和測速采樣來對誤差進行控制，對不同流速狀態(tài)下的ADCP 和流速儀設(shè)備進行40 個樣本信息的采集，對測點流速以及垂線流速的分布進行詳細的分析。

3.1.2 走航比監(jiān)測

采用流速儀進行監(jiān)測時，ADCP 能夠進行三次初級階段到終結(jié)階段的斷面流量測定，通過流速儀模式結(jié)合平均參數(shù)模式來對比流量，ADCP 流量測量的誤差遠遠低于傳統(tǒng)偏差。如果河床存在較厚的浮泥且有位移的情況，需要對傳播速度進行及時的計算和修正，對誤差進行有效控制。

3.1.3 測流斷面監(jiān)測

水文監(jiān)測過程中為降低環(huán)境的影響，需要連續(xù)5 次對不同的測流斷面進行監(jiān)測，選擇平均值作為參數(shù)。如果5 次中出現(xiàn)一次平均值偏差超過5%，則需要對是否存在特異參數(shù)進行分析，如果有必要可以再次進行測量，如果無法進行有效判斷則再次進行5 次測試，取平均值作為流量的參數(shù)。

3.2 誤差控制方法

ADCP 流量測驗十分適合應(yīng)用在河面較寬、水深且流速較大的水文環(huán)境。影響到誤差的關(guān)鍵因素為傳播的速度，測量過程中需要結(jié)合河流的實際情況和流速情況來有效控制船舶的航行速度。因垂線的平均流速測量與水深有直接的關(guān)系，所以需要有效結(jié)合垂線的平均流量和流速。測量前需要做好河床移動的預(yù)測工作，采用精準(zhǔn)度更高的設(shè)備對水文進行測量，岸邊的水面寬度可以采用目測結(jié)合經(jīng)驗的方法來進行估算。

4 結(jié)語

綜上所述，水文斷面流量測驗中采用ADCP 能夠更加接近水文流量模型，快捷便利地對水文進行實時監(jiān)測。但測量中遇到水深不夠、河床為流沙以及周邊存在磁場的情況，就會對測量精準(zhǔn)度造成影響。因此，對水文斷面位置進行測量時需要采用牽引設(shè)備，使用過程中應(yīng)當(dāng)將參數(shù)進行精準(zhǔn)輸入，對不同斷面進行測量時要考慮實際情況后進行操作，提升測量的精準(zhǔn)度，對誤差進行有效控制。