走航式聲學多普勒流速儀適應性研究

李世強

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

走航式聲學多普勒流速儀適應性研究

李世強

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

走航式聲學多普勒流速儀能夠提高流量測驗工作效率，但是其設計應用環境與我國內陸河流情況不能完全相適應，一定程度上影響測流精度。黑龍江省水文局開展了一系列實驗研究，逐步解決出現的問題，努力減小設備測驗誤差，提高工作效率。

ADCP;GPS;比測實驗;比測環境

0 前言

河流流量測驗是水文測驗最主要的項目之一。防汛抗旱和水資源管理工作對水文測驗工作提出了更高的要求。傳統的河流流量測驗是在測流斷面上布設多條垂線，算出垂線平均流速，進而得到斷面面積和斷面平均流速。流量則由斷面面積與斷面平均流速的乘積得到。這種方法需要多人熟練配合，耗時長。

Acoustic Doppler Current Profiler通常譯為聲學多普勒水流剖面儀，縮寫為ADCP。ADCP測量船從河流某斷面一側航行至另一側時，就能即刻計算出河流流量，比傳統的流速儀法效率提高數倍，遇洪水時更能凸顯ADCP快速測流的優勢［1］。

黑龍江省水文局先后從SonTeck和RDI公司引進多套ADCP測流設備。各測站經過幾年的應用，該設備基本實現了預期功能，并應用到日常測流工作中。

由于黑龍江省境內各河流匯流情況復雜、氣象情況多變，河流特性多樣等原因，ADCP在使用過程中逐漸暴露出一些問題。

為了解決這些問題，提高流量測驗精度，提升測驗設備長期使用的可靠性和適用性，挖掘現有設備潛能，黑龍江省水文局監測處將ADCP測驗設備使用過程中遇到的和可能遇到的問題進行搜集整理，通過實驗分析和解決問題。

1 對比測試實驗

當河底泥沙含量較大時，會影響ADCP對河底深度的測量精度，對于測船行進速度的測量也會出現偏差，導致流量測量結果偏小。為了減小河底泥沙對測流精度的影響，通過比測實驗找出減小影響的方法［2］。比測實驗包括3個部分:不同頻率ADCP之間比測、ADCP與外接設備兼容性和ADCP外接設備的測流結果。

1.1 不同頻率ADCP比測實驗

1.1.1 比測環境

2010年8月16日，松花江干流受降水和上游來水影響流量增大，上游地區子堤潰堤，造成肇源斷面泥沙含量增大。理論上不同工作頻率的ADCP對河底泥沙的穿透能力不同，頻率高的設備更容易出現丟底的現象，而頻率低的設備穿透能力更強能夠保證探測到河底深度。比測實驗選用工作頻率為1.5 MHz和600kHz的兩款ADCP進行實驗，以此來驗證不同頻率的ADCP在汛期漲水階段的測流能力。

1.1.2 比測結果

高頻ADCP測量結果見圖1。從航跡圖中可以看出，中段區域流速最大，有流速異常情況;從斷面剖面圖中可以看出，水深最大處附近，底跟蹤情況出現異常，有3個以上工作剖面數據損壞，根據《聲學多普勒流量測驗規范》(SL337—2006)本次測驗數據無效。

低頻ADCP測量結果見圖2。從航跡圖中可以看出，全剖面流速變化均勻，無異常情況;從斷面剖面圖中可以看出，水深數據無異常，底跟蹤正常，測量數據有效［3］。

從高頻ADCP與低頻ADCP比測結果來看，在泥沙含量較大的情況下，低頻設備相對高頻設備更具適應性，測量精度更高。比測結果見表1。

圖1 高頻ADCP測流結果

圖2 低頻ADCP測流結果

表1 高頻ADCP與低頻ADCP比測數據

1.2 設備兼容性實驗

1.2.1 硬件連接

當ADCP無法測得河底深度并利用底跟蹤模式測得測船速度時，需要外接測深儀和GPS得到深度和速度數據。

因此，驗證ADCP與外接設備的通訊能力是十分必要的，結合黑龍江省水文局現有設備，將高頻、低頻ADCP和GPS、測深儀設備分別進行數據通訊實驗。

數據通訊試驗內容包括數據傳輸和測量精度2個方面。測流設備、GPS和測深儀分別通過RS232接口與電腦連接。試驗以高頻ADCP和低頻ADCP為核心設備分兩組進行，分別連接GPS設備和測深設備［4］。

GPS設備可以為RiverSurveyor程序(高頻ADCP設備測量程序)和WinRiver程序(低頻ADCP測量程序)提供航線信息，包括位置、速度和時間等信息，程序可以計算出測船航行的速度和方向。

測量程序具備連接外置GPS的功能，GPS設備可以與高頻ADCP和低頻ADCP設備協同工作。回聲測深儀可以為測量程序提供水深數據，程序中同樣具備外置測深儀的連接功能。

通過設置通訊參數，ADCP與GPS和測深儀可以進行數據通訊，數據格式滿足測流軟件計算要求。ADCP與GPS和測深儀設備連接參數見表2。

表2 ADCP與GPS和測深儀設備連接參數

通過連接試驗，高頻ADCP和低頻ADCP均可以與兩種GPS設備和測深設備進行通訊，GPS數據能夠實時發出，信號質量穩定，傳輸速度正常，可以為測量程序提供有效數據。

在完成數據傳輸試驗的基礎上進行測量精度試驗。GPS設備可以提供3種測量模式分別提供導航模式，差分模式和RTK模式，即米級、分米級和厘米級精度。

根據《聲學多普勒流量測驗規范》(SL337—2006)要求，外接GPS提供的數據精度不能低于差分精度，也就是說差分模式和RTK模式的數據精度才能滿足ADCP測流要求。ADCP與GPS數據通訊精度測試結果表3。

表3 ADCP與GPS數據通訊精度測試結果

由表3可知，導航模式下的數據精度不能滿足ADCP測流要求，天寶GPS不具備接收靜止衛星差分信號的功能，同樣不能測流要求;徠卡和南方GPS的主機能夠接收靜止衛星發送的差分信號，因此滿足測流要求，3個品牌GPS在RTK模式下的數據精度同樣可以滿足測流要求［5］。

1.3 設備組合比測分析

比測實驗分兩組進行，第一組是高頻ADCP與天寶GPS連接，ADCP采用底跟蹤模式，GPS采用RTK模式;第二組是低頻ADCP與徠卡GPS連接，ADCP采用底跟蹤模式，GPS采用差分模式。第一組實驗結果見表4，第二組實驗結果見表5，兩組比測實驗數據結果見表6。

表4 高頻ADCP底跟蹤與外接GPS比測數據

表5 低頻ADCP底跟蹤與徠卡差分模式比測數據

表6 兩組比測實驗數據結果

通過比測實驗數據可知，通過外接GPS獲得船速能夠對存在走底現象造成的流量數據偏小的情況能夠進行修正。由于試驗樣本數量不足，只能定性分析測流數據，不能得出確定具體修正數據。因此還需要進行大量的實驗進行分析。

2 結語

結合高頻ADCP和低頻ADCP外接GPS比測試驗的結果可以看出以下3點:

1)在存在走底現象的測驗斷面，高頻設備與低頻設備均會受到走底現象的干擾，導致測量結果偏小，但低頻設備對走低現象適應性更好，在沒有其他設備輔助的情況下，可以選擇低頻設備減少測驗誤差。

2)外接GPS設備后，能夠對測量結果進行一定的修正，由于試驗樣本數量不足，僅能進行定性說明可以修正。

3)對于不同的水位基、水沙關系、水位流量關系和斷面沖淤情況，還需要進行大量、詳細的比測試驗，才能夠準確修正走底現在帶來的測量誤差，提高ADCP測驗準確性。

［1］田淳.聲學多普勒測流原理及其應用［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003:36-39.

［2］曹貫中，蔣建英，陳望琴.走航式聲學多普勒流速儀流量測驗過程控制方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2011:29-32.

［3］魏進春，黃雙喜.聲學多普勒流量測驗應用關鍵技術試驗研究［M］.北京:中國水利水電出版社，2011:71-73.

［4］尹建國，蔣佑華，陳含華.走航式聲學多普勒剖面流速儀測流應用與分析［J］.水利水文自動化，2004(03):40-42.

［5］潘春香，劉陽明，劉恒.走航式聲學多普勒流速儀在黑龍江干流流量測驗中的應用［J］.東北水利水電，2012(01):63-65.

P335

B

1007-7596(2014)07-0019-03

2014-02-10

李世強(1982-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士。