ADCP在青海某水庫水文觀測中的應用

摘 要：本文介紹了目前世界上最先進的流量實時測量儀器ADCP（聲學多普勒流速剖面儀），并結合青海某水庫的實際情況，介紹了固定式ADCP在指定觀測點的實時監測和走航式ADCP在測流斷面的巡測和流場分析的應用。

關鍵詞：ADCP 水庫 水文 應用

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0039-02

水運工程建設的迅速發展給水文測量技術的進步提供了極好的機遇和環境。近幾年來，ADCP已經在全國許多地區水文系統得到應用。目前，在青海某水庫工程已安裝使用了多臺不同類型和不同型號的固定式ADCP和走航式ADCP，這些先進儀器，正在發揮其作用，并獲得了較滿意的效果。

1 總體思路

為了滿足該水庫的流場檢測需要和河道測流的適用性以及現代化流量儀器選型的需要，本項目觀測采用聲學多普勒水流剖面儀ADCP（以下統稱為ADCP）作為測流設備的首選儀器。選用ADCP測流，技術含量高，獲得的數據豐富，方便數據分析，為施工提供畢竟詳盡的流場關系圖，非常適合本項目的技術特點的要求。

ADCP的全名是Acoustic Doppler Current Profilers，即聲學多普勒水流剖面儀。它是利用超聲波的多普勒頻移的物理原理，可以高分辨率測量垂直方向或水平方向水流的瞬時流速，同時還能測量河流深度或河流寬度，從而可以直接計算出河道的斷面流量。

ADCP根據不同的測量方式，可以分成走航式和固定式兩種[1]。

（1）走航式的ADCP是將儀器的水下換能器垂直固定在船舷邊或船頭，當船只從某岸航行到彼岸時，即可采集到計算流量所需的全部資料，包括河流深度、水流速度和儀器在河流中的水平位置，該位置是使用底跟蹤技術通過對河底速度測量算出的。走航式ADCP的一個突出特點是它能測出垂直于航線的流速分量。流量測量的結果不受選用的航線影響，可以選取垂直航線、斜航線，也可以選取之字形航線，甚至在河流中段繞圈的航線進行測量。采用不同的工作頻率和不同的分辨率可以適用于不同的河道流速和不同的河流深度。這種形式的ADCP，其測量范圍：流速為0～10 m/s，精度為±1%、±0.5 cm/s；河道深度6～180 m（視不同的型號，不同的工作頻率）。

走航式ADCP的最大特點是：①可以不受河寬的限制，當裝備有ADCP的測量船從河流某斷面一側航行至另一側時，即刻測出河流的流量；②適合巡測，可以在不同的河道上使用；③流量的測量精度比固定式高。

走航式ADCP在測量時，作業船航速是影響流量測量精度的重要因素，且可以由測量者控制。航速越低，流量測量誤差越小，一般航速可以控制在0.5～1.0 m/s之間。河面越寬、河流流速越大、系統頻率越高、系統發射速率越快，其流量的測量誤差就越小。一般來說，走航式ADCP適合于水文巡測。

（2）固定式的ADCP有二種測量方式。一種是垂直測量方式：是將儀器的水下換能器垂直向下裝在水面下的某一個固定位置，向下發射超聲波，或者是將換能器垂直向上裝在河底的某一個固定位置，向上發射超聲波。測得垂線平均流速，從而推算出斷面的平均流量。另一種是水平測量方式：是將儀器的水下換能器水平方向裝在水面下的某一個固定位置，面向河道的彼岸水平發射超聲波，測得某一段單元長度內的層平均流速，與斷面的平均流速建立關系后，再計算出河道斷面的瞬時流量。固定式的ADCP，是目前國外推出的新一代流量計，它具有安裝容易，操作簡便，精度高，價格低，維護方便等優點，測量范圍：流速為0～6 m/s，精度為±1%、±5 mm/s，實測的最大水平單元長度在6～120 m左右（視不同的型號，不同的工作頻率）。

固定式ADCP的最大特點是：（1）不需要航船，儀器的價格低于走航式ADCP，因此總的投資就相對比較少。（2）它的安裝、操作和維護都比較簡單易行。（3）儀器可選配超聲波水位探頭，在測速的同時，直接測量出水位。（4）可以在線實時和自動定時監測流量。一般來說，固定式水平ADCP適合于在線的監測和固定測站斷面的流量測驗。

2 ADCP在水庫中的應用

為了驗證ADCP在水庫工程的適應性，我單位在實施全面測量前使用定點測流的傳統轉子式SL-2型流速儀與ADCP定點測量的數據進行了垂直方向流速的詳細比對。經過26小時的數據回歸分析后，其結論是：二者之間誤差小于10%的上線率達到85%以上，符合水文測驗規范的要求。

2007年12月，我們采用ADCP在該水庫進行了全面的流場關系調查。根據工程建設的需要，我們在水庫堤軸線方向和合攏口重點檢測的地方布設兩條加測斷面。

（1）垂線平均流速和平均流向的計算。

首先計算出各測次每個斷面上所有實測點的垂線平均流速、平均流向、平面坐標；流向改正為真北方向，真北方位角為實測流向加上磁偏角改正值，垂線平均流速、平均流向用真北角進行計算。然后采用矢量分解合成法，先求出各測點流速東西、南北方向的分量，再根據各分量的垂線平均值進行合成計算，求出垂線平均流速和平均流向。

（2）實測流速上下盲區處理。

由于受儀器發射聲波轉換時間的限制以及河（海）床對聲波干擾的影響，測流時在垂直方向存在測驗盲區（如圖1所示），所以在每一個微水深剖面（或稱流速垂線）上，ADCP流速測驗由上下盲區和實測區組成：上盲區靠近水面（表層），其厚度大約為ADCP換能器入水深度、ADCP盲區、以及單元厚度一半之和。下盲區域靠近河底（底層），稱為“旁瓣”區（河底對聲束的干擾區）。其厚度取決于ADCP聲束開角（即換能器與ADCP軸線的夾角）。例如對于聲束開角為20°的ADCP，相應的“旁瓣”區厚度大約為水深的6%。

對上、下盲區的流速處理，沿用標準的流速垂直分布數學模型結合實際流場形態，經比測分析得出上、下盲區的流速估算模型。水面和水底的流速皆為根據模型計算得到。水面流速和ADCP實測第一個單元流速之間的關系公式為：

V水面=V1c×ζ

V1c為ADCP在垂直方向所測的第一個單元流速，ζ的值大約在0.98～1.03之間。

水底流速和ADCP實測最后一個單元流速之間的關系公式為：

V水底=VcL×ζ

VcL為ADCP在垂直方向所測最后一個單元流速。

ζ的值與河床特性及測線水深有關，經對大量的比測資料分析，其值在0.79～0.85之間，實際運用時，根據測線水深進行選取，本次采用0.795（圖1）。

（3）垂線流速提取。

按照六點法的測驗要求，摘錄出相對水深為水面、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和水底的流速、流向。由于ADCP采用走航施測，因此各實測流速點位和施測時間皆不正好同步，需對所有實測流速進行改正計算。

（4）測量實施。

在漲落急時，各測一次。共檢測三條斷面。在測量堤軸線時，遇到施工船舶和漁網，故測量線相北偏移繞開障礙物，同時由于計劃測量線的部分區段水深比較淺，已經進入ADCP盲區覆蓋范圍，所以部分區段不能獲得可用的ADCP數據。此區段所占比例不大，基本不影響整體區域的流向分析。具體ADCP測量線見圖1。在利用ADCP實施測量時，船速基本控制在5節左右以保證數據的穩定可靠。

全部測量過程采用DGPS實時差分定位系統配合Hypack軟件進行導航和數據采集，全數字化成圖。數據采集時，保存兩種數據格式；另一種為原始的HYPACK MAX格式，一種為原始的ADCP格式（*.001文件格式）。這樣的數據記錄方法既方便數據編輯又方便數據回放和保存。

ADCP數據采集系統采用隨機攜帶軟件“WinRiver”，該軟件操作簡易，界面美觀，以不同顏色來表示不同流速，鼠標指到任何水層均能給出該水層的適時信息，同時，“WinRiver”軟件能顯示出矢量圖和實測流量，每個斷面結束時都記錄下所有當時設置的參數，事后利用當時的參數可回放（Playback）野外采集的過程及數據，保證了數據采集的完整安全。

在此次測量中我們也同時采用HYPACK MAX軟件實施內業處理。利用HYPACK MAX軟件后處理后，立刻可以讀取各點各層的流速流向。

用這些方法測到的流速數據，換算得到斷面平均流速，與SL—2同步測得的層平均流速用回歸方法進行分析。通過上述方法的率定，將SL-2的層平均流速與斷面平均流速建立回歸關系。這些測點的回歸關系都比較好，其回歸系數都在90%以上。

3 結語

該水庫的建設，對青海經濟建設的發展影響深遠。隨著科技的發展與進步，多普勒測流技術的發展和應用，再配合其它輔助手段實現水資源的全面監測，可以較好的解決河口的流量測驗問題。多項工程ADCP應用，工程人員已經積累了一定經驗，為今后廣泛應用ADCP進行水文測驗打下了基礎。同時ADCP對水質同步監測有積極的影響，使用該方案可為水文監測提高測量精度。隨著科技的進步及ADCP的廣泛應用，勢必加快水文現代化的步伐，為今后水資源管理，為防汛抗旱、合理開發、利用、管理水資源和保護水環境發揮重要作用，促進國民經濟建設和社會發展。

參考文獻

[1]席占平，弓增喜，郭相秦，等.ADCP在寬淺河道流量測驗中使用小單元尺寸的探討[J].中國農村水利水電，2006（11）.

[2]劉建華.ADCP應用于黃河水文測驗的探討[J].中國農村水利水電，2006（7）.

[3]趙新智.ADCP在淺水低流速區域的應用探討[J].治淮，2006（10）.

[4]鄭慶濤，林衛文，李上達.走航式ADCP技術在水文測驗中的應用探討[J].Application of the Underway ADCP Technology to the Flood Water Hydrological Measurement.人民珠江，2007（1）.