走航式ADCP在唐徠渠流量測驗中的應用初探

蘇笑曦

（寧夏唐徠渠管理處 寧夏 銀川 750001）

寧夏引黃灌區歷年來在流量信息采集方面一直沿用著傳統的流速儀測流和建筑物測流方法。隨著電子科技高速發展，聲學多普勒測流技術的發明并投入到流量測驗領域是流量測驗的一次革命，這些儀器是近年來國際上流行的一種新型測流儀器（分為：走航式ADCP和固定式ADCP）。根據其工作原理，通常譯為“聲學多普勒流速剖面儀”(Acoustic－聲學、Doppler－多普勒、Current－流速、Profiler－剖面儀,)簡稱ADCP。

由于ADCP是由計算機控制操作，具有操作便捷、測驗時間短、分辨率高、性能穩定、數據可靠精度好、資料完整、信息量大等特點，特別適合于流態復雜條件下的測驗，與傳統的流速儀相比具有更高的測驗效率，是目前世界上最為先進的河流流速流量實時測流設備。近兩年在唐徠渠測流探索應用中與傳統流速儀測流進行了對比，為此對ADCP的應用談一點粗淺的認識。

1 ADCP測流系統的組成及聲學多普勒原理

ADCP測流系統主要由ADCP流速剖面儀及測船、換能器（4個探頭）、計算機操作軟件系統及連接設備等3個主要部分組成。其中計算機操作軟件由Winriver軟件和自主開發的數據處理軟件組成，Winriver軟件主要用于采集數據，自主開發的數據處理軟件對Winriver軟件采集的數據進行提取、分析和整理得到流量、流速、流向、水深、水溫、坐標等信息。

從理論上講，用ADCP進行流量測量的原理與傳統測量方法的原理是相同的，都是在測流斷面上測出多條垂線的水深和流速，從而計算出流量。ADCP配有四個換能器，換能器與ADCP軸線成一定夾角，每個換能器既是發射器又是接收器，換能器發射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物反射回來的聲波。ADCP相當于在每個子斷面內各測量垂線上有多個流速儀同時測速、測深，從而得到了斷面的平均流速和流量，然后疊加得到整個斷面流量。

2 ADCP與傳統流速儀的比較

2.1 流速測量比較

傳統流速儀是單點式測量儀器，無論是用什么原理測流，當它被布放在某一深度層時，都只能測出該層的流速。ADCP是一種“剖面儀”，該儀器的特點是測速范圍大，在水面上（換能器入水深度0.05m），它能測出該儀器所處位置的垂直剖面，即多個測點，應該稱之為多點測量（即剖面）儀器。據資料查閱，在一個垂直剖面上最大的測點數可達128個，因此，布設一臺ADCP成果相當于使用多臺（可多達128臺）單點測流儀。

2.2 流量測量比較

傳統流速儀測量方法是在測流斷面上布設多條垂線，在垂線處測量水深以獲得斷面面積，繼而再用流速儀測量單點或是多點的流速，計算得垂線平均流速，進而獲得斷面平均流速。該方法的流量由斷面面積乘以斷面平均流速得到。這種傳統方法費工費時，效率低。ADCP測流時，ADCP裝在測船上，當測船從測流斷面一側航行至另一側時，ADCP即刻就能測出流速剖面和流量，測驗耗時少，效率高。

2.3 測點數比較

傳統流速儀測流中的“測點”數有限，一般一個測流斷面只設5條～12條測線，每條測線測出1個～3個不同深度上的流速。ADCP則在測船航行過程中的采樣率很高，即可以測到非常多的“測點”，而在每個“測點”上可以測到幾十個不同深度的流速值，實際上它是用積分的方法求出的，因此在數據質量上保證率較高。

2.4 測流斷面比較

傳統流速儀測流時要求流速儀垂直于測流斷面。ADCP與測流斷面的關系不作要求，測船航行的軌跡可以是斜線或曲線，機動靈活，這大大地方便了施測作業。

2.5 測流歷時比較

以二農場渠口測流為例（測點已布設），傳統流速儀一個測次需30min～40min才能得出一個流量值。ADCP據美國地理調查局規定，每個流量值至少要進行4個測次（即兩個來回，在4次測量中任一一個數值與平均值之差均小于5%），僅需15min～20min，并能在數據整理中將偏差值標示，精度和自動化程度較高。

3 影響ADCP測流精度的原因分析

使用ADCP在唐徠渠干支渠流量測驗中，主要校測了有多年測量資料的測流斷面流量，如三棵樹、王家灣子、良田渠、大新渠、新橋、八一橋、二農場渠口、分水閘、暖泉渠、公路橋等；經過整理比較、分析數據，ADCP測量結果準確、可靠。ADCP屬精密儀器，操作規范要求高，如使用時換能器不能碰在硬物上、不能長期受太陽光照射、亦不能長時間浸泡于水中；不足的是ADCP是固定的，小流量渠道測量時操作不便，而且箱體笨重也不易攜帶。結合測流過程和整理數據，直觀的認為影響ADCP測流精度有以下幾方面原因。

3.1 受水流流速的影響

如果水流速快、水面有波浪，換能器有可能露出水面和發生空蝕，影響數據采集，測量過程間斷；再就是發生ADCP傾翻的現象，如在新橋測流，當時水位2.56m，最大流速1.65m/s，ADCP被操控到渠中心時，有兩次被水流沖擊晃動至傾翻，致使測流中斷。

3.2 受船速的影響

船速越慢，精度越高，一般船速不超過水流最大速度。特別是起步時船速一定要平穩，不能突然加速或讓ADCP來回晃動，這一點猶如開汽車起步時不能顫動。在實際操作中經常會遇到，特別是水流速度較小時，對提高精度尤為重要。

3.3 受岸邊距的影響

由于作業船不能緊靠岸邊測驗，ADCP不能測出近岸邊的流速和流量，開始及結束測量的岸邊，船需停留片刻，以便獲得用于計算岸邊流量的10個有效數據。岸邊距大小的控制，對ADCP采集10個有效數據至關重要，岸邊距過大，岸邊流量的推算就存在一定的偏差；岸邊距過小，采集不夠10個有效數據，需要測船反向移動，不僅影響ADCP正常測流，對岸邊流量的推算也有一定的影響。而我們在測流過程中岸邊距大多是目測或用鋼尺測量，偏差是不可避免的。

3.4 受渠床條件的影響

渠道襯砌與否也直接影響著測流結果，如在暖泉渠測流時，分別在測流斷面處（襯砌）和斷面下游（渠坡長有雜草）測量，同一水位測得兩個結果（見圖1、2）。

3.5 受動底和水流條件的影響

渠床內有流沙或滾石的地方或產生渦流時，數據采集中就會出現空白段，此處的流速需通過測區數據外延來估算，致使測量精度降低。如在四號橋上游的兩次測量，水位（分水閘）0.58m；水位1.61m（見圖 3、4）。

4 ADCP在渠道流量測驗的應用前景

運行Window軟件的ADCP操作十分方便，在測量的過程中，流速、流向、流量、渠道斷面等參數清晰地在計算機屏幕上顯示出來，非常直觀；同時實測數據都儲存在計算機中，可以進行各種必要的后處理作業。由于ADCP提供的水位～流量關系數據可靠、成果代表性高，自動化程度高，這將大大提高水量計量精度，減輕職工勞動強度，提高工作效率，但其價格昂貴，或可將其申報列入灌區續建配套或水權轉換項目得以解決。

聲學多普勒流速剖面儀，對于流量測驗工作來說，確實是一項革命性的先進技術，相信在不久的將來，它會在寧夏引黃灌區獲得十分廣泛的應用。陜西水利