ADCP測(cè)流基本原理以及在引黃濟(jì)青中的應(yīng)用

程亮

ADCP測(cè)流基本原理以及在引黃濟(jì)青中的應(yīng)用

程亮

引黃濟(jì)青流量測(cè)驗(yàn)是確定引水、調(diào)水和分水流量的重要任務(wù)之一，也是檢驗(yàn)泵站機(jī)組有效功率的重要手段之一。傳統(tǒng)引黃濟(jì)青輸水渠道流量測(cè)驗(yàn)主要采用單點(diǎn)流速儀法，既費(fèi)時(shí)效率也很低。ADCP測(cè)流的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)全部通過(guò)電腦控制操作，自動(dòng)化程度高。在引黃濟(jì)青中ADCP的使用比傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方法效率提高幾十倍，準(zhǔn)確化程度高，標(biāo)志著引黃濟(jì)青輸水渠道流量測(cè)驗(yàn)的現(xiàn)代化，被稱為是流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域的又一次革新。

ADCP測(cè)流原理：

ADCP是聲學(xué)多普勒流速剖面儀的英文簡(jiǎn)稱,即Acoustic D o p p l e r Current Profiler，是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水體流速剖面的儀器，根據(jù)測(cè)定水體中微顆粒聲后向散射的多普勒頻移來(lái)測(cè)量水體速度，它的換能器發(fā)射出一定頻率的脈沖，該脈沖碰到水體中的懸浮物質(zhì)后產(chǎn)生后向散射回波信號(hào)。由于懸浮物質(zhì)隨流漂移，使該回波信號(hào)頻率與發(fā)射頻率之間產(chǎn)生一個(gè)頻差，即多普勒頻移。根據(jù)這一頻移的大小和符號(hào)(正負(fù))，即能計(jì)算出流速和流向。由于聲速在一定深度范圍內(nèi)(表層至幾百米深度)的水體中的傳播速度基本不變，根據(jù)聲波由發(fā)射到接收的時(shí)間差便可確定深度。一臺(tái)ADCP可以頂替若干臺(tái)傳統(tǒng)的流速儀，在使用ADCP測(cè)流時(shí)，設(shè)置不同厚度的深度單元，即將測(cè)流斷面分成若干個(gè)子斷面,利用不斷發(fā)射的聲波，確定一定的發(fā)射時(shí)間間隔及滯后，通過(guò)多普勒頻以及譜寬度的估算，便可得到整個(gè)水體剖面逐層上水體的流速；在每個(gè)子斷面內(nèi)測(cè)量垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速并測(cè)量水深從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量，再將各個(gè)子斷面的流量迭加，即得整個(gè)斷面流量。

目前，針對(duì)水體流速測(cè)量，ADCP主要包含定點(diǎn)式和走航式兩種測(cè)量方式，定點(diǎn)式測(cè)量是在水流固定點(diǎn)上安裝ADCP，例如水面橋墩，利用ADCP測(cè)量水體，因儀器在固定一點(diǎn)上測(cè)量數(shù)值，所以，測(cè)定水體所得數(shù)值為真實(shí)值，可直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理。而走航式測(cè)量將ADCP安裝于船體水下部分，通過(guò)船體移動(dòng)檢測(cè)水體，因ADCP在移動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量數(shù)據(jù)，所以測(cè)定數(shù)據(jù)是一種以船體作為參照物的相對(duì)測(cè)定值。假設(shè)水體流速與水體顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度相同，ADCP對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行水跟蹤，獲得速度與ADCP速度相對(duì)。如果ADCP平臺(tái)安裝固定，水跟蹤所得流速就是水流絕對(duì)速度。若ADCP為移動(dòng)安裝，水跟蹤所得相對(duì)速度扣除平臺(tái)移動(dòng)速度，即可獲得水流絕對(duì)速度。

ADCP測(cè)流在引黃濟(jì)青中應(yīng)用實(shí)例

測(cè)定流量時(shí)，因ADCP的頻率范圍較為固定，只可反射出范圍固定的聲脈沖，所以對(duì)于劇烈運(yùn)動(dòng)水體，在展開(kāi)聲脈沖發(fā)射過(guò)程中，由于水體內(nèi)的脈沖反射物質(zhì)增加，對(duì)聲脈沖反射頻率造成影響。例如，在引黃濟(jì)青輸水渠道的彎道、倒虹進(jìn)出口、橋墩等，因水體出現(xiàn)較大的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，水底所沉積泥沙、淤泥，隨著水體運(yùn)動(dòng)發(fā)生翻騰，許多泥沙運(yùn)動(dòng)影響了聲波換能器手機(jī)反射的聲脈沖，導(dǎo)致脈沖頻率不能夠得到準(zhǔn)確測(cè)定。因此應(yīng)仔細(xì)挑選測(cè)定地點(diǎn)，選取穩(wěn)定的流速水體和規(guī)則流速斷面，展開(kāi)聲脈沖頻率測(cè)定，確保脈沖頻率能夠最大范圍防止外界干擾，提高聲脈沖頻率測(cè)量準(zhǔn)確度。把ADCP設(shè)備按技術(shù)要求安裝在測(cè)船上，采用走航式測(cè)量方式，在引黃濟(jì)青宋莊泵站下游、引黃濟(jì)青王耨泵站下游、引黃濟(jì)青方家屯泵站分水口上下游選擇了水流較為平穩(wěn)、斷面較為規(guī)則的地方進(jìn)行了多次實(shí)際測(cè)流。具體測(cè)流如下：

主要的測(cè)流過(guò)程及注意事項(xiàng)：

從岸邊慢慢移動(dòng)，船盡量向上游移動(dòng)。當(dāng)船駛離岸邊時(shí)，船的啟動(dòng)過(guò)程要緩慢駛離岸邊并且要到達(dá)對(duì)岸前也要放慢速度，其目的是不讓船速過(guò)快。選擇岸的方向應(yīng)該選擇面向下游的方向來(lái)確定左岸還是右岸，左側(cè)是左岸，右側(cè)是右岸。

為了更好的測(cè)量結(jié)果，船的速度要盡量小于水流的速度,使船盡可能向上游方向逆流而上，可以使得船速慢下來(lái)并且可以保持航向垂直于斷面進(jìn)行航行，測(cè)量的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確一些。

在河兩邊靠岸處測(cè)量出兩個(gè)深度單元的位置要確定好，并且做好標(biāo)記，他們代表了該斷面用來(lái)測(cè)量的起點(diǎn)與終點(diǎn)的位置；當(dāng)達(dá)到起點(diǎn)或終點(diǎn)那個(gè)位置時(shí)，要準(zhǔn)確測(cè)量出該點(diǎn)與岸邊的距離,當(dāng)達(dá)到需要估算岸邊流量的地方時(shí)，要盡可能地讓ADCP不要移動(dòng)。

采集至少往返3個(gè)測(cè)回，并允許樣本數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)5%。

資料數(shù)據(jù)整理分析

以王耨泵站后測(cè)流為例，ADCP原始測(cè)流文件結(jié)果形成如下圖：

由上圖數(shù)據(jù)可知，測(cè)流時(shí)間、最大流速、最大水深、平均水深、渠道的寬度、各層流量（底部、中部和頂部）、船速、離岸的距離以及開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間等等在電腦屏幕上非常直觀的顯現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中,可以進(jìn)行各種必要的后處理作業(yè),根據(jù)需要整理成不同形式的成果。此次測(cè)量了三個(gè)測(cè)回，測(cè)的平均總流量為28.3m3/s，誤差為2%，根據(jù)《聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)流規(guī)范》，符合規(guī)范要求。與此時(shí)王耨泵站的機(jī)組運(yùn)行情況相比較，基本符合泵站機(jī)組的有效功率。

誤差分析：根據(jù)結(jié)果分析，雖然儀器采用了零盲區(qū)技術(shù)，但渠道兩邊有較寬的坡面，無(wú)法正常施測(cè)，即岸邊盲區(qū)，所以最終結(jié)果進(jìn)行了技術(shù)修正。由于是第一次試驗(yàn)測(cè)量，沒(méi)能選擇到合適的參數(shù)，因此，要多試驗(yàn)幾次，選擇到合適的參數(shù)之后不要隨便改動(dòng)，除非測(cè)量環(huán)境發(fā)生變化。作業(yè)船速是影響流量測(cè)驗(yàn)精度的重要因素，即在測(cè)流過(guò)程中應(yīng)根據(jù)河流流速狀況，控制適宜船速，確保測(cè)驗(yàn)精度和安全。此外，水中含沙對(duì)“底跟蹤”的影響、船對(duì)羅經(jīng)的影響等都會(huì)影響ADCP正常工作，由于船體的上下晃動(dòng)，埋深有較大的變化，要保持儀器水下埋深波動(dòng)不大，最佳方式是采用軟性連接，能較好地解決這一缺陷。

ADCP的發(fā)展前景

ADCP是水流流量測(cè)定最為科學(xué)、最為先進(jìn)的水體檢測(cè)設(shè)備，可有效節(jié)省人力測(cè)量，提高流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性。隨著在實(shí)踐中獲得較多的檢測(cè)成果，加上科技技術(shù)的推動(dòng)，ADCP測(cè)流將更多普及于引水調(diào)水分水等專業(yè)領(lǐng)域，測(cè)流數(shù)據(jù)精度更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)測(cè)量范圍更加廣泛，進(jìn)而達(dá)到流量檢測(cè)的測(cè)定數(shù)據(jù)需求。

用ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)直接顯示，相當(dāng)直觀，而且測(cè)流歷時(shí)短，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，精度高。操作熟練后，大大縮短了測(cè)流時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了安全性。尤其在寬斷面、大流量的測(cè)流中更能體現(xiàn)其快速靈活和實(shí)效的特點(diǎn)。ADCP測(cè)流技術(shù)因其測(cè)量方法的優(yōu)越性，明顯高于傳統(tǒng)測(cè)量方法，是一項(xiàng)革命性的先進(jìn)技術(shù)。ADCP測(cè)流可為我國(guó)的引水、調(diào)水和分水事業(yè)發(fā)展提供良好的科技保障，將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

（作者單位：山東省膠東調(diào)水局濰坊分局）