ADCP測流基本原理以及在引黃濟青中的應用

程亮

ADCP測流基本原理以及在引黃濟青中的應用

程亮

引黃濟青流量測驗是確定引水、調水和分水流量的重要任務之一，也是檢驗泵站機組有效功率的重要手段之一。傳統引黃濟青輸水渠道流量測驗主要采用單點流速儀法，既費時效率也很低。ADCP測流的數據采集、傳輸、存儲全部通過電腦控制操作，自動化程度高。在引黃濟青中ADCP的使用比傳統測驗方法效率提高幾十倍，準確化程度高，標志著引黃濟青輸水渠道流量測驗的現代化，被稱為是流量測驗領域的又一次革新。

ADCP測流原理：

ADCP是聲學多普勒流速剖面儀的英文簡稱,即Acoustic D o p p l e r Current Profiler，是20世紀80年代初發展起來的一種利用聲學多普勒原理測量水體流速剖面的儀器，根據測定水體中微顆粒聲后向散射的多普勒頻移來測量水體速度，它的換能器發射出一定頻率的脈沖，該脈沖碰到水體中的懸浮物質后產生后向散射回波信號。由于懸浮物質隨流漂移，使該回波信號頻率與發射頻率之間產生一個頻差，即多普勒頻移。根據這一頻移的大小和符號(正負)，即能計算出流速和流向。由于聲速在一定深度范圍內(表層至幾百米深度)的水體中的傳播速度基本不變，根據聲波由發射到接收的時間差便可確定深度。一臺ADCP可以頂替若干臺傳統的流速儀，在使用ADCP測流時，設置不同厚度的深度單元，即將測流斷面分成若干個子斷面,利用不斷發射的聲波，確定一定的發射時間間隔及滯后，通過多普勒頻以及譜寬度的估算，便可得到整個水體剖面逐層上水體的流速；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，再將各個子斷面的流量迭加，即得整個斷面流量。

目前，針對水體流速測量，ADCP主要包含定點式和走航式兩種測量方式，定點式測量是在水流固定點上安裝ADCP，例如水面橋墩，利用ADCP測量水體，因儀器在固定一點上測量數值，所以，測定水體所得數值為真實值，可直接應用于數據處理。而走航式測量將ADCP安裝于船體水下部分，通過船體移動檢測水體，因ADCP在移動狀態下測量數據，所以測定數據是一種以船體作為參照物的相對測定值。假設水體流速與水體顆粒物的運動速度相同，ADCP對顆粒物運動進行水跟蹤，獲得速度與ADCP速度相對。如果ADCP平臺安裝固定，水跟蹤所得流速就是水流絕對速度。若ADCP為移動安裝，水跟蹤所得相對速度扣除平臺移動速度，即可獲得水流絕對速度。

ADCP測流在引黃濟青中應用實例

測定流量時，因ADCP的頻率范圍較為固定，只可反射出范圍固定的聲脈沖，所以對于劇烈運動水體，在展開聲脈沖發射過程中，由于水體內的脈沖反射物質增加，對聲脈沖反射頻率造成影響。例如，在引黃濟青輸水渠道的彎道、倒虹進出口、橋墩等，因水體出現較大的強烈運動，水底所沉積泥沙、淤泥，隨著水體運動發生翻騰，許多泥沙運動影響了聲波換能器手機反射的聲脈沖，導致脈沖頻率不能夠得到準確測定。因此應仔細挑選測定地點，選取穩定的流速水體和規則流速斷面，展開聲脈沖頻率測定，確保脈沖頻率能夠最大范圍防止外界干擾，提高聲脈沖頻率測量準確度。把ADCP設備按技術要求安裝在測船上，采用走航式測量方式，在引黃濟青宋莊泵站下游、引黃濟青王耨泵站下游、引黃濟青方家屯泵站分水口上下游選擇了水流較為平穩、斷面較為規則的地方進行了多次實際測流。具體測流如下：

主要的測流過程及注意事項：

從岸邊慢慢移動，船盡量向上游移動。當船駛離岸邊時，船的啟動過程要緩慢駛離岸邊并且要到達對岸前也要放慢速度，其目的是不讓船速過快。選擇岸的方向應該選擇面向下游的方向來確定左岸還是右岸，左側是左岸，右側是右岸。

為了更好的測量結果，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并且可以保持航向垂直于斷面進行航行，測量的結果會更準確一些。

在河兩邊靠岸處測量出兩個深度單元的位置要確定好，并且做好標記，他們代表了該斷面用來測量的起點與終點的位置；當達到起點或終點那個位置時，要準確測量出該點與岸邊的距離,當達到需要估算岸邊流量的地方時，要盡可能地讓ADCP不要移動。

采集至少往返3個測回，并允許樣本數據誤差不超過5%。

資料數據整理分析

以王耨泵站后測流為例，ADCP原始測流文件結果形成如下圖：

由上圖數據可知，測流時間、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、離岸的距離以及開始和結束的時間等等在電腦屏幕上非常直觀的顯現出來，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,根據需要整理成不同形式的成果。此次測量了三個測回，測的平均總流量為28.3m3/s，誤差為2%，根據《聲學多普勒流速儀測流規范》，符合規范要求。與此時王耨泵站的機組運行情況相比較，基本符合泵站機組的有效功率。

誤差分析：根據結果分析，雖然儀器采用了零盲區技術，但渠道兩邊有較寬的坡面，無法正常施測，即岸邊盲區，所以最終結果進行了技術修正。由于是第一次試驗測量，沒能選擇到合適的參數，因此，要多試驗幾次，選擇到合適的參數之后不要隨便改動，除非測量環境發生變化。作業船速是影響流量測驗精度的重要因素，即在測流過程中應根據河流流速狀況，控制適宜船速，確保測驗精度和安全。此外，水中含沙對“底跟蹤”的影響、船對羅經的影響等都會影響ADCP正常工作，由于船體的上下晃動，埋深有較大的變化，要保持儀器水下埋深波動不大，最佳方式是采用軟性連接，能較好地解決這一缺陷。

ADCP的發展前景

ADCP是水流流量測定最為科學、最為先進的水體檢測設備，可有效節省人力測量，提高流量測驗數據精確性。隨著在實踐中獲得較多的檢測成果，加上科技技術的推動，ADCP測流將更多普及于引水調水分水等專業領域，測流數據精度更加準確，數據測量范圍更加廣泛，進而達到流量檢測的測定數據需求。

用ADCP進行流量測驗，采集的數據直接顯示，相當直觀，而且測流歷時短，數據穩定可靠，精度高。操作熟練后，大大縮短了測流時間，減輕了勞動強度，增加了安全性。尤其在寬斷面、大流量的測流中更能體現其快速靈活和實效的特點。ADCP測流技術因其測量方法的優越性，明顯高于傳統測量方法，是一項革命性的先進技術。ADCP測流可為我國的引水、調水和分水事業發展提供良好的科技保障，將會得到更為廣泛的應用。

（作者單位：山東省膠東調水局濰坊分局）