水文測驗中定點式ADCP設(shè)備運行維護(hù)及故障處理方法

黃 煒，張晨旭

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210013）

1 概 述

流量是水利規(guī)劃設(shè)計、防汛調(diào)度、水資源管理等工作的重要基礎(chǔ)資料。流量獲取按測驗方式可分為以纜道流速儀、橋測、走航式ADCP為代表的人工測驗方法，以定點式聲學(xué)多普勒剖面流速儀（定點式ADCP）為代表的自動測流方法［1-2］。隨著水文現(xiàn)代化和測驗方式改革進(jìn)程的推進(jìn)，自動流量監(jiān)測已成為實現(xiàn)水文監(jiān)測現(xiàn)代化的關(guān)鍵。定點式ADCP的應(yīng)用可有效提高測流效益，特別是在水位流量關(guān)系復(fù)雜的測流斷面，采用定點式ADCP 測流不僅可以進(jìn)行連續(xù)的測流，而且可大幅減少測驗人員投入，并降低運行成本。定點式ADCP 作為一種實時在線的自動測流設(shè)備，其設(shè)備運行狀況直接決定了測驗精度、測驗穩(wěn)定性以及測驗長效性。

目前，相關(guān)研究主要關(guān)注于ADCP 設(shè)備的適用性、比測率定［3-4］、流速分布［5］等方面。筆者結(jié)合應(yīng)用實踐，對定點式ADCP 自動測流系統(tǒng)運維維護(hù)及常見的故障分析和解決辦法進(jìn)行分析，為設(shè)備的推廣應(yīng)用提供借鑒。

2 定點式ADCP系統(tǒng)組成

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理測量水流速度的儀器，即通過ADCP 換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物（假定水體中顆粒物與水體流速相同）散射回來的聲波，經(jīng)過換算測得斷面流速，進(jìn)而根據(jù)斷面面積可算得流量。定點式ADCP 測流系統(tǒng)一般由ADCP 設(shè)備、輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及軟件系統(tǒng)共同組成，包括ADCP 換能器及設(shè)備安裝平臺等。

目前應(yīng)用的定點式ADCP測流系統(tǒng)中，ADCP換能器以RDI 和Linkquest 設(shè)備為主，設(shè)備安裝分橫向式安裝和垂向式安裝2 種。其中，橫向式安裝是將換能器安裝在測驗河段岸邊，以水平方式向河段橫斷面發(fā)射超聲波，測得某一水層的流速分布；垂向式安裝是將1個或數(shù)個換能器安裝在測驗河段河底基座或錨定的水面浮標(biāo)上，向水面或河底發(fā)射聲波，測得1 根或數(shù)根垂線流速分布。輔助設(shè)備包括水位計、供電系統(tǒng)等，水位計一般采用浮子或壓力式水位計，供電系統(tǒng)采用太陽能供電，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集控制及傳輸設(shè)備（RTU、DTU）等。軟件系統(tǒng)包括設(shè)備設(shè)置軟件及數(shù)據(jù)處理軟件等，具備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳、查詢備份、異常預(yù)警、接受指令、數(shù)據(jù)處理以及流量計算等功能。

江蘇省定點式ADCP 測流系統(tǒng)采用測站、省中心的運行模式，測站設(shè)備測得的數(shù)據(jù)按照《江蘇省水文自動測流系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》，通過GPRS VPDN（主信道）或CDMA VPDN（備份信道）傳輸?shù)椒种行幕蚴≈行牡乃淖詣訙y報平臺，分中心通過省中心進(jìn)行相關(guān)的運行管理、數(shù)據(jù)查詢和應(yīng)用。

3 定點式ADCP設(shè)備維護(hù)要點

對定點式ADCP 系統(tǒng)的運行維護(hù)，主要包括換能器檢查與維護(hù)，設(shè)備安裝平臺檢查維護(hù)，電源、通訊等輔助設(shè)備的檢查維護(hù)，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及采集軟件維護(hù)等。

3.1 換能器檢查與維護(hù)

換能器是ADCP中實現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)化的主要設(shè)備。一般定點式ADCP 具備4~9 個換能器，每個換能器既是發(fā)射器又是接收器，通過感應(yīng)水體中的聲波能量反射情況來推算流速。因此，換能器運行狀態(tài)直接決定了斷面流速數(shù)據(jù)測驗的準(zhǔn)確性，特別是換能器表面的干凈與否，直接決定了回波強度的好壞。ADCP 換能器檢查維護(hù)步驟如下。

（1）標(biāo)記好現(xiàn)有ADCP 換能器安裝位置，將ADCP 換能器升出水面并對表面附著物進(jìn)行清潔，確保ADCP換能器表面清潔，無污泥、雜草等附著物等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)探頭表面有明顯裂痕時，應(yīng)檢驗是否影響測驗精度。

（2）清潔完畢后，將ADCP換能器放至原先安裝高程，確保換能器安裝高程保持在初始值±2 cm 以內(nèi)。通過三維姿態(tài)等數(shù)據(jù)校核換能器安裝位置，保障ADCP安裝三維角度變化≤1°。

（3）通過軟件對系統(tǒng)性能進(jìn)行現(xiàn)場抽檢，確保指標(biāo)均通過，抽檢聲波信號質(zhì)量、數(shù)據(jù)成果質(zhì)量應(yīng)達(dá)到優(yōu)良級。將檢查后的測流數(shù)據(jù)和檢查前數(shù)據(jù)進(jìn)行校對，確認(rèn)數(shù)據(jù)滿足使用要求。

在運行過程中，如果發(fā)現(xiàn)ADCP 成果數(shù)據(jù)流速異?；蛘唿c流速的流速分布不合理，則需要對ADCP 進(jìn)行檢查。最直接的檢查方法就是查看ADCP 的信號強度，通過信號強度衰減情況來判斷波速測量路徑上的異常。由于聲波在水中懸浮粒子的摩擦和反射，會造成信號衰減，標(biāo)準(zhǔn)的信號衰減是平緩的或平滑下降，如果信號強度有突跳的反射或者劇烈的衰減，就可以認(rèn)為聲波路線上有異常障礙物在影響測流，并且根據(jù)回波強度異常增強位置，可以大致定位遮擋位置［6］?？赏ㄟ^ADCP 換能器波束傳播圖，區(qū)分波束傳播正?；虿ㄊ鴤鞑ナ軘嗝嬗绊憙煞N情況。若波束傳播信號強度平滑衰減，可以判斷ADCP 換能器運行正常，并且河道斷面波速方向上無障礙阻隔。若有較小的反射信號，一般可能是水中懸浮物所影響，可通過查看多組信號強度進(jìn)行比較。若此處反射可消除，即該處的影響是臨時的，可認(rèn)為其影響不大；若有較大的反射信號，一般認(rèn)為障礙物或者信號對水面造成了強反射信號，可在測驗斷面現(xiàn)場情況進(jìn)行再次檢查確認(rèn)。

3.2 設(shè)備安裝平臺檢查維護(hù)

定點式ADCP 有橫向（H-ADCP）和垂向（VADCP）兩種安裝方式，安裝支架的穩(wěn)定性決定了ADCP測驗的質(zhì)量，由于都是涉水安裝和運行，維護(hù)不及時容易造成設(shè)備損壞、測驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等問題。ADCP 主機姿態(tài)要保持同一性，各測次才能保持測到同一地點（相同起點距）的水流速度，也是控制單斷流速率定精度最重要的基礎(chǔ)。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，對于H-ADCP 主機安裝姿態(tài)應(yīng)符合的要求包括：將儀器水平安裝，與河流主流線或者中心線平行，并保持儀器姿態(tài)固定，縱橫角度誤差應(yīng)控制在±1°之內(nèi)，以保證指標(biāo)流速率定關(guān)系穩(wěn)定。對于V-ADCP，安裝基礎(chǔ)一般在代表垂線位置（偏離不大于50 cm）打樁到河床以下1.2 m，并安裝自動浮起裝置，ADCP（面向上游）的安裝近端偏角為20°（與豎直方向的夾角）左右。

在對設(shè)備安裝平臺進(jìn)行檢查維護(hù)時，主要包括以下步驟。

（1）對安裝平臺穩(wěn)定性進(jìn)行全面檢查，確保整體安全牢固，無銹蝕、掛渣、搖晃等現(xiàn)象。

（2）對ADCP安裝架、連接鋼絲穩(wěn)定性進(jìn)行檢查維護(hù)，確保不影響監(jiān)測質(zhì)量。

（3）安裝位置的河段淤積情況也會對測驗精度造成影響，應(yīng)該定期對安裝平臺所在測流斷面進(jìn)行大斷面測量，保證ADCP 測流斷面和原安裝斷面一致。若有淤積應(yīng)盡快清淤，特別是對影響ADCP 信號發(fā)射的斷面，必須立即清淤。

3.3 輔助設(shè)備檢查維護(hù)

電源系統(tǒng)和通訊設(shè)備是保障定點式ADCP測流系統(tǒng)長期運行及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾o助設(shè)備。

（1）檢查太陽能電池系統(tǒng)，保持太陽能電池板鏡面清潔、無裂紋，密封采光性保持完好，主板使用期及主板的故障率評價為合格及以上。太陽能電池板鏡面以南無遮檔范圍≥180°，蓄電池表面整潔，蓄電能力及故障率評價為合格及以上。對太陽能板電壓、蓄電池電壓、接地地阻進(jìn)行測量，測量接地電阻≤4 Ω，防雷模塊運行正常。

（2）檢查設(shè)備電纜，確保線路暢通，單位長度電壓衰減量處于正常范圍，不同時期衰減量記錄變化保持在±20%以內(nèi)。岸上部分電纜線套管及防雷接口穩(wěn)固無松動，水下電纜線套管穩(wěn)定且緊貼河底，供電、通訊系統(tǒng)電纜線外層無缺損暴露，無松動、無掛物，線纜套管密封性好。

（3）對防腐蝕部件進(jìn)行檢查，當(dāng)防腐蝕部件腐蝕嚴(yán)重時，要及時更換該部件。檢查數(shù)據(jù)通訊模塊，確保運行正常。對數(shù)據(jù)采集器、通信設(shè)備功能進(jìn)行逐項測試，確認(rèn)設(shè)備工作正常并做好參數(shù)備份。

（4）檢查水位計，提起水位計，查看讀數(shù)有無變化。確保無影響水位計正常運行的情況，對水位進(jìn)行校核，與遙測水位誤差應(yīng)在±2 cm以內(nèi)。

（5）檢查設(shè)備機箱，確認(rèn)現(xiàn)場機箱設(shè)備外觀完好，保證設(shè)備清潔。對機箱內(nèi)外進(jìn)行擦拭，線纜進(jìn)行整理并合理布局。

3.4 信息傳輸設(shè)備及系統(tǒng)維護(hù)

目前，江蘇流量自動監(jiān)測站測流數(shù)據(jù)（包括流量、斷面面積、斷面流速、測流原始數(shù)據(jù)等）采用移動4G VPDN 單信道模式上報。監(jiān)測站遙測終端自報信息傳輸至分中心采集平臺（流量數(shù)據(jù)），分中心采集平臺將信息進(jìn)行初步合理性判斷后入分中心數(shù)據(jù)庫，通過交換軟件傳輸至省中心數(shù)據(jù)庫。原始數(shù)據(jù)包括點流速、回波強度、代表流速、正北偏角、橫搖、縱搖等。在平時運行過程中，要求對測站采集軟件配置校驗，分析數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行診斷，確保設(shè)備在運行周期內(nèi)穩(wěn)定正常，測驗數(shù)據(jù)能實時傳輸至省水文自動測報平臺。

4 常見故障及處理方法

ADCP 測流系統(tǒng)是由ADCP 主機、輔助設(shè)備、傳輸設(shè)備等共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)，任何部分出現(xiàn)運行故障都可能造成整個測流系統(tǒng)運行不正常。其中，ADCP 換能器由于長期在水下環(huán)境運行，容易造成設(shè)備運行故障，ADCP 換能器出現(xiàn)故障的具體表現(xiàn)在設(shè)備無數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)少、信號強度較差、流量突變等幾個方面。表1中總結(jié)了定點式ADCP 系統(tǒng)常見故障及處理方法。

（1）對于設(shè)備無數(shù)據(jù)上傳，引起故障的原因包括ADCP密封插件由于使用時間較長，插針、插孔銹蝕，或由于雷電、老化、潮濕等原因，導(dǎo)致ADCP電源板損壞以及ADCP設(shè)備超期使用造成設(shè)備化能器故障等。目前，對于ADCP 設(shè)備使用周期尚未有明確的規(guī)范要求，根據(jù)日常使用經(jīng)驗，使用年限超過5 年的設(shè)備存在設(shè)備老化的較多，使用年限超過8 年的設(shè)備建議進(jìn)行更換。

（2）對于數(shù)據(jù)量較少或信號較弱，引起故障的原因包括ADCP 探頭安裝位置發(fā)生較大變化或者ADCP探頭前有雜物遮擋。當(dāng)安裝斷面泥沙含量較高，水草、雜物較多時，或者ADCP設(shè)備老化、性能減弱時，都有可能造成ADCP 點流速減少。當(dāng)ADCP設(shè)備安裝位置過高或過低，安裝偏角上、下傾角較大，也有可能造成點流速數(shù)據(jù)突變。

（3）對于輔助設(shè)備，常出現(xiàn)的故障包括工控機不工作、斷電，太陽能供電系統(tǒng)工作時間小于1 周，浮子水位計、雷達(dá)水位計、ADCP自帶水位計數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等。對于數(shù)據(jù)傳輸，常出現(xiàn)的故障包括測站軟件工作不正常，數(shù)據(jù)傳輸不正常等。

5 結(jié) 語

水文設(shè)施及相關(guān)設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)是確保水文測驗、預(yù)報數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時的基礎(chǔ)。為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要，不斷提高服務(wù)社會、服務(wù)公眾的能力，有必要對自動測流設(shè)施運行管理現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析。針對實際運行中存在的問題，提出優(yōu)化措施，建立適用于水文自動測報站智慧化的運維管理方案，為水文系統(tǒng)的精細(xì)化管理和運行提供新的思路和解決方案。