多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應用分析

魏小偉，劉金山，韓立光，曹愛華

（日照市水文局，山東 日照276826）

多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應用分析

魏小偉，劉金山，韓立光，曹愛華

（日照市水文局，山東 日照276826）

對多普勒剖面流速儀測流的工作原理展開了詳細分析，總結了當前多普勒剖面流速儀在使用過程中遇到的一些技術問題，并對多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應用方法與流程展開了簡要分析。

ADCP;多普勒頻移;流速

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.023

1 多普勒剖面流速儀測流原理

多普勒剖面流速儀的英文縮寫為ADCP，它是近來年國際上流行的一種新的流量測量儀器設備，應用于水文流量測驗中具有快速性、精準性及經濟性等諸多優點。多普勒剖面流速儀的測量原理源于多普勒效應（多普勒頻移），即由多普勒剖面流速儀作為聲源（超聲波）發出的聲波為水中的漂浮物（聲波接收體）所反射，聲源與聲波接收體處于相對移動的狀態之中，因為水中漂浮物接收到的聲波頻率與流速儀發出的聲波頻率之間就產生了一個差值，通過測量產生的這個頻率差值式（1）,便可計算出水流的流速。式中，FD為聲學多普勒頻移；Fs為發射聲波頻率；v為漂浮物沿聲速方向的移動速度；c為聲波在水中的傳播速度；2為系數，多普勒剖面流速儀既要發射聲波，又要接收回波，其頻移是加倍的。

ADCP自身定義有直角坐標系為X-Y-Z，Z方向即為軸線方向。ADCP通常配有4個換能器（見圖1），分布于流速儀的軸線的兩側并與ADCP軸線形成一定的夾角，每個換能器將聲波有指向性（即發射的聲波集中于較窄的范圍）的發射出去后又接收水體中漂浮物散射回來的聲波，這樣4個換能器就形成了4個聲束，其軸線視為聲束坐標，測得的流速即是水流沿其聲束坐標方向的速度，任意3個聲束坐標組成一組空間聲束坐標，利用聲速坐標與ADCP自身的X-Y-Z坐標之間的轉換關系，換算出換能器在X-Y-Z坐標系下的流速分量，進而通過羅盤、傾斜儀所測量的方向、傾斜數據將流速轉換為地球坐標系下的流速。

圖1 四聲束A D CP換能器分布及其編號示意圖

2 多普勒剖面流速儀存在的技術問題

多普勒剖面流速儀在水文流量測驗的應用有效提高了流量測驗工作的效率，但是由于超聲波在水中的傳播速度會受水溫、鹽度、懸浮物含量等因素的影響，水溫和鹽度的變化可引起相同流速下的不同多普勒頻移，超聲波的傳播距離受水中懸顆粒的含量限制，這些影響因素都在一定程度上影響著測量的精度。以走航式ADCP為例，分析其在水文流量測驗中存在的一些關鍵技術問題。

1)當河流存在“底沙運動”時，河底推移質的運動會影響測量船體的航行速度，主要是因為河底的泥沙在高速運移的測船經過時會隨水流遷移。ADCP的“底跟蹤”方式所測量的測船行進速度是大于實際航速的，即測得的水層流速是小于實際流速的，航速的測量失真導致流量測驗成果不準確。

2）多普勒剖面流速儀內部配置的磁羅經和陀螺羅經可能受到鐵磁質測船所形成的外界磁場干擾，致使測量的羅經方向與水流的實際方向產生了夾角，即方向的偏移使得水流流向的測驗結果失真。

3）雖然水體中的含沙量僅僅吸收聲能，不會改變聲波的傳播速度與多普勒頻移，但當水體中的含沙量較高時，水體對聲波的反射和吸收都增強，即多普勒剖面流速儀回收的聲波強度衰減速度較快，進而影響水深的測量的準確性。

4）因為設備安裝要求儀器探頭在整個測驗過程中始終不會露出水面，以及設備自身設計、施測流量時左右岸邊離岸距離和水深的要求，會產生流量測驗盲區，造成流量測驗誤差。

3 多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應用

3.1 測驗方法

多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中屬于超聲波法測流速，利用超聲波在水中的傳播特性，可以分為頻差法和時差法兩種測速方法。頻差法（圖2）利用超聲波順流向與逆流向傳播時間不同來測速，ADCP測驗即是利用了頻差法進行水文流量的測驗。

圖2 頻差法測速示意圖

3.2 測驗流程

利用蓄電池為ADCP提供能源支持，連接至計算機系統，實現數據的采樣與回收。ADCP可以安裝在固定平臺（河底）上進行定點垂線或水平流速的分層測量，安裝在移動平臺（測船）上，進行走航式流速剖面測量。根據《聲學多普勒流量測驗規范》（SL337—2006）要求，測驗工作主要包括測驗準備階段工作、實施測驗工作及水文流量測驗成果檢驗等主要工作內容。

首先是測驗準備階段的羅盤校正工作。按照國家對于多普勒測流的規范，水文流量測驗前必須做好羅盤校正，使得多普勒剖面流速儀內部配置的羅盤得到補償后指向磁場的正北方向，特別是在利用KTKGPS計算流量時，ADCP內置羅盤必須以大地的正北方向作參考。運用RiverSurveyorLive軟件與測驗地的磁偏角數據，對內置羅盤的磁極北進行轉換，使得羅盤指向為大地北，減少因羅經方向與水流的實際方向產生了夾角而造成的流量計算偏差。

然后是水文流量的測驗工作。根據測驗地的現場情況，選擇配置距離合理的無線傳播數據方式用以接收測驗成果數據。無線電臺接收終端安置在河岸上，通過與計算機系統的連接，實現數據的傳輸，測量工作可由計算機進行遠程自動化控制，控制測量的開始與結束。測驗工作開始前根據斷面情況設置的深度單元尺寸應不小于設備允許的下限，深度單元數不超過設備允許的上限，同時深度單元尺寸與深度單元數的乘積不應小于所測斷面的最大水深，并實際測量換能器入水深度。測量時，測船應從斷面下游駛入斷面，在接近起點位置時，航行速度沿斷面保持接近或略小于水流速度，直至終點。

ADCP測量過程中的成果數據存儲于內置存儲器中，并進行實時流量計算。對于水文流量的測驗需要經過多個回次的測驗，將多個測次的流量值進行平差計算，得出本次流量測驗的最終流量數據，統計于流量測量成果匯總表中，匯總表需要包含開始時間、持續時間、水溫、航跡、河寬、船速、左右岸流量、測量流量、底層流量及總流量等。

最后對水文流量測驗成果進行檢驗。傳統流速儀將河道斷面分段劃分，計算各部分的斷面面積，將斷面面積與流速儀測得的流速相乘計算出部分流量，將各部分流量相加所得值就是全斷面的流量。可以用常規流速儀與ADCP實行同步實測，分析計算測量的相對誤差、標準差，對ADCP測量數據成果進行修正，以滿足《水文資料整編規范》（SL247—2012）和《河道流量測驗規范》（GB50179—2015）的精度要求。

3.3 流量測驗誤差控制

1）測量時，測船橫渡速度宜接近或略小于水流速度，并盡量保持勻速前進。2）儀器入水深度、水位、水深、水邊距離測量盡量精確，避免人為造成的誤差。3）在測驗前應根據斷面情況、可能最大流速、測船動力情況和測驗要求設置聲學多普勒流速儀參數。4）水位漲落率大時，應根據水位漲落變幅情況盡量減少測流歷時所引起的流量誤差。

4 結語

綜上所述，多普勒剖面流速儀測驗效率較高，還可以通過計算機的遠程顯示與監測實現對流量的在線實時監測，但是在測驗過程中為了減少測量誤差提高數據的精準性，需要注意ADCP測量的使用條件與使用范圍，降低水流中漂浮物、含沙量、水溫、鹽度等因素對于測量準確性的影響。科學運用ADCP技術獲得河流、水庫、湖泊等水體的水文特征值，不僅能有效服務于防汛抗旱工作，還能在水資源的合理開發利用和水環境的保護等方面發揮重要作用。

Application Analysis of Acoustic Doppler Current Profilers in the Test of Hydrologic Flow

WEI Xiao-wei,LIU Jin-shan,HAN Li-guang,CAO Ai-hua
(HydrologyBureau of Rizhao,Rizhao 276826,China)

This paper on Acoustic Doppler Current Profilers's measurement principle of flow has launched the detailed analysis,summarized the currentAcousticDopplerCurrent Profilers in some technical problems encountered in the process of use, and the flow of thedopplerprofileinhydrologicalflowtestinabriefanalysisoftheapplicationofthemethodandprocess.

ADCP;dopplerfrequencyshift;thevelocity

P332.4

B

1007-9467（2016）09-0091-02

2016-06-14

魏小偉（1980～），男，山東日照人，工程師，從事水文水資源勘測與研究，（電子信箱）993156161@qq.com。