浅谈走航式ADCP在水文测验中的应用

分类：交通运输论文发表 时间：2012-08-28 09:59 关注：(1)

　　【摘要】河流流量测量是水文测验的重要任务之一。传统的河流流量测量方法(人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量等)，费工费时，效率低。ADCP是英文“Acoustic Doppler Current Profiler”的缩写，随着水文巡测的开展，水文测验要求的提高，推广ADCP在水文测验中的应用在技术和规范方面存在着局限性。建议尽快制定相关规范规定，推动水文现代化进程。

　　关键词：ADCP;水文测验;比较分析

　　Abstract: ADCP is the abbreviation of the English "Acoustic Doppler Current Profiler" of the Hydrological Survey to carry out the Hygrometry requirements increase, to promote the application of ADCP in the Hydrologic there are limitations in the technology and specifications. Recommend as soon as possible to develop relevant specification, promoting the hydrological process of modernization.Key words: of ADCP; hydrological tests; comparative analysis

　　中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编码：

　　1.走航式ADCP的基本原理

　　ADCP是声学多普勒流速剖面仪的英文简称，即Acoustic Doppler Current Profilers， 它是由美国RDI公司于20世纪80年代研制出来的新仪器。，中文通常译为声学多普勒水流剖面仪，是近几年发展起来并得到应用的新技术，专门用于测量河流、水渠或狭窄海峡的流量。

　　1.1 声学多普勒原理：

　　声学多普勒效应就是，当声源与接受物体以相对速度V相对运动时，接受物体所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同，称之为多普勒效应。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V成正比，与振动的频率成反比。

　　1.2 走航式ADCP测量原理：

　　ADCP利用声学多普勒效应进行测流。换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP所接收。悬浮物质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移：

　　从理论上讲，走航式ADCP流量测量原理与传统的人工船测或缆道测量等的基本原理一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速，计算得到垂线的平均流速。

　　走航式ADCP实测的是断面中部区域内的流速，这个区域称为ADCP实测区。另有四个小区域(①水面区域：厚度为ADCP换能器的入水深度加上ADCP的盲区。②河底区域：河底接口对声波的干扰而造成的盲区，或者称之为旁瓣区。③岸边区域：由于靠岸边水较浅，测量船只不能靠近而造成不能直接测量)，由于测船不能靠近，或者因ADCP本身的原因，不能实测，称为非实测区。水面、河底区域、岸边区域的流量可通过实测区资料的外延来估算。

　　河

　　2. 走航式ADCP的特点

　　⑴ 传统测量方法是采用静态方式，无论是人工船测、缆道测量等等，仪器总是固定于所测垂线上进行测量，而ADCP是动态测量方法，随测量船只运动过程中进行测量，不受河宽的限制。

　　⑵ 传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸，而ADCP测量过程中不要求测流断面垂直于河岸，船的航行轨迹可以是斜线或曲线。

　　⑶ 适合巡测，单一工作模式(适用于所有的河道)，测量历时短，只需几分钟;可以在浅水中测流，最小水深可为0.3m，最小流速可为1cm/s;可以测得三维的流速分量。

　　⑷.简单易学的 Windows平台的 RiverSurveyor 软件。走航式ADCP(RiverSurveyor)的应用

　　3. 数据采集

　　为了计算流量，ADCP在测量时需要以下几个数据：(1)水的相对速度(2)船速(3)水深(4)船的航行轨迹。

　　走航式的ADCP安装在特制的三体船上，是将仪器的水下换能器垂直固定在船舷边或船头，横越测流断面(从断面一岸移向另一岸)时利用超声波不断测量水深，同时利用多普勒测速原理测得水体相对于测船的流速和测船相对于河床的运动速度(即船速)，根据两速度的向量差得到水流的真实流速。测船的航迹通过船速和航向计算而得，通过以上步骤可以确定所测垂线的正确位置。即可采集到计算流量所需的全部资料，包括河流深度、水流速度和仪器在河流中的水平位置，该位置是使用底跟踪技术通过对河底速度测量算出的。

　　岸边区域的离岸水平距离可采用电子测距仪器测量;或者预先在河中立测船起止的标志杆，预先已知该距离;每次走航前，将离岸距离值输入ADCP，同时输入岸边流速系数(根据测验规范，斜坡的系数为0.67～0.75, 陡坡的系数为0.8～0.9)。

　　3.1 数据处理

　　3.2岸边流量估算?

　　由于作业船不可能紧靠岸边测验，ADCP不能测出近岸边的流速和流量。可以利用比例内插法来确定岸边流量。根据流量测验规范，岸边流量可由下式估算：?

　　　L——岸边至测量起点(或终点)微小断面的距离;

　　Hm ——起点(或终点)微小断面处的水深;

　　Vm ——起点(或终点)微小断面内的垂线平均流速。??

　　显然，河流某断面流量等于ADCP流量QADCP与岸边估算流量QNB之和。?

　　4. 走航式ADCP与传统流速仪的比较分析

　　从理论上讲，走航式ADCP流量测量原理与传统的转子式流速仪法相同(桥测、缆道、涉水)，是将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量。再将各子断面的流量叠加得到整个断面的流量。但不同之处是：①传统的转子式流速仪法是静态方法，流速仪是固定的。走航式ADCP是动态方法，可在随测船运动的过程中进行测量;②由于用传统的转子式流速仪法采样费时，通常不会将子断面划分的很细，垂线流速的测量点也不可能很多。而走航式ADCP由于采样速率很高，可以将子断面划分的很细(可称为微断面)，垂线流速测量点也可以很多，相当于多台流速仪同时测量;③传统的转子式流速仪法要求测流断面垂直于河岸，走航式ADCP方法无此项要求，测船的航迹可以是斜线或曲线。

　　5.ADCP在水文测验的应用前景分析

　　ADCP作为当今世界上最先进的测验设备，在国外已经得到广泛的应用，在我国已有不少成功应用的实例，比如海洋勘测、水库测量、海口测验、长江水文测验等等，其测验的高效性和极高的自动化程度得到了应用人员的好评。目前随着ADCP技术的发展，测验单元、测验盲区不断减小，随首水文现代化建设的需要，探索新的测量方法，提高测量精度，缩短测量历时，实现高频次测量，已成为目前急需解决的问题，ADCP的应用能够实现流量的在线监测，掌握和了解流量的动态变化，为水环境保护和防汛抗旱提供实时流量信息，在提高测验的精度、效率和安全性的同时，也大大降低了测验人员的劳动强度。

　　但是，也有一些有待解决的问题：

　　⑴：采用ADCP测验速度快、效率高，一般情况下要以来回两次测量的平均值作为最后的测量成果，由于两次测量的线路不一定相同，并且不一定在要求的测验断面上，这就给要求严格的测验资料带来了不便。例如水道断面面积、水面宽、最大水深和最大流速等水文要素如何表示，需要克服ADCP的测验成果与传统测验成果的衔接问题。

　　⑵：ADCP是声学测验设备，较多的泥沙颗粒或水草将会削弱仪器声波的发射和接收，所以测量成果在含沙量较大和水草茂密的河道上会对精度有较大的影响。由于ADCP采用的是底跟踪技术，因此要求测量河道的最小水深最低不少于0.3m，这样在小流域的小河流上并不实用。

　　⑶：ADCP进入我国尚未经过仪器设备的严格检测和技术部门的技术认定，仪器的使用范围、测量成果精度和可靠性缺乏保障，按照目前国内对新仪器的应用推广要求看，由于国内没有完整的技术指针，制约了该仪器在常规流速测量和流量测验中的推广使用。

　　⑷：目前我局正在对新购的ADCP进行对比测验分析，具体的测验使用情况和比测分析成果，待下阶段才能完成。

　　6. 结束语

　　ADCP的原理及应用方式具有的优势，与当前对水文测验提出的高频、在线、实时的要求相适应，具有广泛的应用前景，积极推广在水文测验中的应用也是十分必要和紧迫的。但是由于主观和客观两方面的局限性，其推广应用还需要开展大量的工作。相信不久ADCP将会成为我国河流流量测量的常规仪器。

　　参考文献：

　　[1]《ADCP使用说明书》

　　[2]《声学多普勒流量测验规范》SL337-2006