ADCP在水文監測中的應用分析

李吉林，陳沭

（1.青島市水文局，山東青島 266071；2.膠州市水文局，山東膠州 266300）

ADCP在水文監測中的應用分析

李吉林1，陳沭2

（1.青島市水文局，山東青島 266071；2.膠州市水文局，山東膠州 266300）

對ADCP的基本情況和工作原理進行了簡要介紹，并從測量技巧、河道建筑物、測速垂線布設等方面對影響ADCP測驗情況進行了分析，提出了ADCP測流的優勢、注意事項和發展遠景。

ADCP；流量測驗；用水總量

聲學多普勒流速剖面儀（簡稱ADCP）近年來在水文系統逐步應用，使流量測驗工作形式較以往發生了很大的改變。由于儀器本身是移動式的，便于載運和攜帶，機動性強，大大提高了測流效率，為水資源論證、用水總量監測等工作提供了有力保障。自2009年起青島市水文局在大沽河洪水測驗中開始使用ADCP，效果顯著。

1 ADCP的工作原理

ADCP是目前世界上最先進的河流流速、流量實時測量設備。ADCP流量測量原理與傳統的轉子式流速儀法相同，是將測流斷面分成若干個子斷面，在每個子斷面內測量垂線上一點或多點流速并測量水深，從而得到子斷面內的平均流速和流量。再將各子斷面的流量疊加得到整個斷面的流量。但不同之處是：1）傳統的轉子式流速儀法是靜態方法，流速儀是固定的；ADCP是動態方法，可在隨測船運動的過程中進行測量。2）由于用傳統的轉子式流速儀法費時，通常不會將子斷面劃分的很細，垂線流速的測量點也不可能很多；而ADCP由于采樣速率較高，可以將子斷面劃分的很細，垂線流速測量點也可以很多，相當于多臺流速儀同時測量。3）傳統的轉子式流速儀法要求測流斷面垂直于河岸；ADCP法則無此要求，測船的航跡可以是斜線或曲線。

2 ADCP與流速儀實測流量成果分析

2009年汛期，青島市水文局大麻灣水文站使用ADCP實測流量6次，并采用流速儀一點法進行了比測。

從ADCP各次往返測量成果看，偏差都在5%以下，說明ADCP進行流量測驗性能穩定性高，精度良好。從與流速儀一點法實測結果對比看，一次偏差在5%以下，兩次偏差在10%左右，通過分析、試驗得知，形成ADCP實測偏差的原因主要概括如下：

2.1 引船的速度對ADCP的影響分析

按ADCP的使用要求，牽引船的速度要小于河流平均流速，才能達到測驗要求。經多次使用不同的牽引速度牽引三體船測量,結果表明,牽引船的速度對測驗結果有一定影響,但這種影響很小，不會產生系統誤差。

2.2 下游橡膠壩的影響

大麻灣水文站斷面下游5.5 km建有南莊橡膠壩一座，在非洪水期橡膠壩一般不放壩，對上游斷面有阻水作用，此次大麻灣斷面來水系上游水庫超汛中限制水位而開閘放水，流量不大，因此橡膠壩沒有放壩，流速儀法實測結果偏大。

2.3 流速儀測速垂線布點的影響

此次流速儀法測流采用一點法測速，由于下游橡膠壩阻水影響，0.6一點法流速偏大，不能代表垂線平均流速，在條件允許的情況下應采用精測法（兩點法、三點法或五點法），這樣比測的結果更合理。

3 ADCP在水文測驗中的優劣分析

3.1 ADCP在水文測驗中的優勢

1）ADCP可克服水草影響。ADCP法測船的航跡可以是斜線或曲線，當有水草通過測流斷面時，測船可以繞過水草，繼續測流，而流速儀法則不可以，需要將水草除去，或者待水草流過后再進行測流。

2）ADCP測驗速度快、效率高。傳統測驗方法一個測驗過程一般需要3～4人，駕駛車輛、操作儀器、記錄數據各有分工，并且很難兼顧其它，且儀器下面有鉛魚配重，勞動強度較大，特別是洪水漲落幅度較大和人工手提儀器懸索測流時，對操作人員的體力更是較大考驗。ADCP測驗由電腦操控，現場不需要人工記錄、計算，測船一個測回即可測得斷面的流量、平均流速、最大流速、面積等水文要素，從而大大降低了測驗人員的勞動強度，節省了人力物力。

3）與傳統流速儀測流相比，其儀器分辨率、測速精度有較大的提高，并具有連續不間斷測量、高頻次測量、斷面流量過程線一目了然等優點。其采用的深度單元最小尺寸為0.05 m，即水深為1 m時，可將垂線劃分為20份，相當于傳統流速儀法的“二十點法”，儀器分辨率大大提高。

4）傳統測驗要預先在施測河段進行水尺的設立和測量以及大斷面的測量，掌握河道斷面的基本情況，ADCP不需預先測量和布設，在測流的同時各種斷面信息和水文要素即計算和顯示出來。機動性和便利性大大凸顯。特別適用于無斷面資料和水文資料河段，突發洪水及決口河段的測驗任務使用。

5）ADCP流量測量精度比流速儀高。經過在大麻灣水文站多次測流對比實驗，只要嚴格按步驟操作，則半測回流量值與平均值偏差均小于5%。

6）ADCP測驗生成的聲學多普勒流速儀流量記載表能直接應用于水文資料整編程序進行整編。

7）操作簡便，測驗效率高，適合于巡測。

8）ADCP是聲學測驗設備，在含沙量較大的水流中其發射和接受的信號會被泥沙顆粒散射，所以測量成果受河流含沙量的影響較大。這限定了ADCP使用也只能是在含沙量小的情況下，在含沙量較大河流中是無法發揮其作用的。

青島地區平原測驗河段的含沙量比較小，不會對其產生影響，因此，ADCP比較適合在青島地區水文測驗中應用。

3.2 ADCP在水文測驗中注意事項

1）在應用ADCP進行流速流量測量時，為了取得最佳測量結果，應針對不同測驗河段、測驗斷面的具體情況，在測流前要進行ADCP系統的檢測和配置，正確設置儀器參數，否則會出現測驗數據不全面或測驗精度降低等問題。

2）ADCP是聲學測驗設備，較多的泥沙顆粒將會削弱儀器聲波的發射和接收，所以測量成果受河流含沙量的影響很大，有關專家建議該儀器使用的條件為含沙量不大于10 kg/m3。即該儀器只能在含沙量小的情況下使用。

3）青島地區的河流大多屬于平原性河流，流速較小，洪水的起漲和回落時間持續較長，洪水流速一般在0.20～1.00 m/s之間。而ADCP要求測船的船速不能高于流速，限制了測船的行進速度，一定程度上延長了測驗的時間。因此ADCP不太適用于流速較小的河段測驗。

4）ADCP水下換能器是全封閉的，在出現故障的情況下無從著手，不能自已檢查、更換；主板比較昂貴，一般不可能備用；維修不方便，出現故障將會影響流量測驗，因此，要嚴格按照操作程序使用和管理，確保儀器正常使用。

5）支持信號發射電臺的電源續航能力不高，用于計算測驗數據便攜式電腦電池續航能力也不高，在高頻次的流量測驗和多個斷面的巡測過程中會產生很多不便。

4 效益分析

ADCP作為世界上最先進的流量測驗設備，應用于水文測報中，不但提高了水文現代化水平，也提高了測驗精度和測洪能力，極大縮短了水文信息采集的時間，為防汛抗洪、水資源開發利用和保護提供了準確及時的水文信息。

ADCP的使用，改變了水文測驗傳統落后的測驗方式，流量、流速、水深、面積等水文信息由人工測驗記錄變為先進的自動采集傳輸，實現了測報自動化，減輕了勞動強度，提高了勞動生產率和職工工作積極性，提高了水文的社會地位。

（責任編輯 趙其芬）

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2014-05-29

李吉林（1966—），男，工程師