走航式ADCP和傳統水文測驗的比較分析

劉敬偉,謝運山,劉禮慶,陳　寧,范玉良

(江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局，江蘇省鎮江市　212028)

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走航式ADCP和傳統水文測驗的比較分析

劉敬偉,謝運山,劉禮慶,陳寧,范玉良

(江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局，江蘇省鎮江市212028)

摘要：在當前的水文測驗工作中，應用走航式ADCP進行流量測驗已經較為常見，文章主要對比分析了走航式ADCP與傳統的流速儀測驗方法、原理以及優劣勢。并初略介紹了走航式ADCP的實際應用。關鍵詞：走航式ADCP；流量；測驗

0前言

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)全稱為聲學多普勒流速剖面儀[1]。走航式ADCP作為一個成熟的流量測驗新儀器，在當前的水文測驗工作中得到了相當多的應用。特別是在突發性水事件、水文應急監測、邊界水量巡測、流量測驗2套方案、固定式ADCP流量比測、各種江河湖庫水文測驗以及常規水文測驗等多種場合都可以應用走航式ADCP進行流量測驗，得到流量結果。與傳統的流量測驗方法相比，走航式ADCP具有速度快、精度高、效率高、勞動強度小，可以根據需要隨時測量河床斷面、河流流速、流量、流向等要素，具有較廣闊的應用前景[2]。

1走航式ADCP與傳統水文測驗方法的比較

傳統水文測驗的方法主要是采用流速儀法進行流量測驗，這種方法首先需要進行大斷面的測量，根據斷面情況進行測深垂線、測速垂線的布設，再根據測速垂線的水深情況確定幾點法進行流量測驗，最后進行流量成果計算，并依據資料整編規范和年鑒刊印規范進行小數位的取舍等等，過程較為繁瑣，計算較為復雜。

走航式ADCP則相對較為簡單，只需根據現場情況確定是橋測還是遙控船測量或者纜道測量，橋測一般是利用河道上的已有橋梁，一人站在河岸的一邊拉著繩索，另一人利用繩索拉著安裝有ADCP小船沿著橋梁勻速向對岸走。 這邊拉著小船向對岸走，那邊就一邊拉著繩索一邊向對岸放繩子，直到安裝有ADCP的小船到達對岸。遙控船式走航式ADCP則直接用遙控器控制放置ADCP儀器的遙控船，進行流量測量。纜道測量則是將安裝有ADCP儀器的三體船懸掛在纜道循環索上，利用測流纜道將船來回測流。這些方法均不需要事先進行大斷面的測量，在測量過程中能在外接電腦屏幕上直觀地看見流速大小、流向、流量、水深等數據，最終可以直接生成成果表。

而在江河湖庫的水文測驗項目中采用流速儀進行船測流速流向時，水文絞車則較為笨重，且測量過程中也要注意安全問題，在水深較深、流速較大的情況下勞動強度也大，且需注意水深的傾角改正問題。但若采用走航式ADCP進行流量測量時則既避免了笨重的絞車，也大大減輕了勞動強度，成果精度也高。

同時常規水文測驗方法一般采用水文纜道、橋測、船測等方式[3]，在突發水事件或者巡測時沒有纜道設施、沒有橋梁、沒有船時，流速儀法具有較大的局限性，且流速儀法流量測驗斷面須為垂直于河道的直線斷面，若不垂直，則需要進行流量改正。而走航式ADCP的優勢則非常明顯，遙控船作為走航式ADCP的標配，只要現場不影響遙控船的開行都可以進行流量測驗。測量地點不受約束，測量路線也不受約束，非常自由。

2走航式ADCP與傳統水文測驗原理的比較

傳統水文測驗的原理為流速面積法，即流量=斷面平均流速×過水斷面面積。采用近似法推求斷面流量，將各過水斷面用測深垂線和測速垂線分成若干部分，通過計算各部分的面積乘以斷面平均流速得到全斷面的流量。所以常規的流速儀法流量測驗工作一般包括4個方面的工作，即大斷面的測量、垂線的布置、流速的測量、流量的計算等。受限于測驗原理，測驗方法中也就要求借助于水文纜道、河道上的橋梁或者過河索及船等外在載體。

而走航式ADCP作為新型的測驗方法，其基本理論也是流速面積法[4]，只不過分得更細更精確。ADCP利用聲學多普勒效應進行測流，一般安裝的4個或者3個換能器并具有一定的角度。換能器既是發射器也是接收器，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，該信號為ADCP所接收[5]。通過跟蹤測得的水中顆粒物的運行速度扣除船的速度(矢量差)后即得到水流的流速。測船速度主要采用底跟蹤的方法測得[6]。在測量過程中由于儀器設備的局限性，其存在4個盲區，即表層(換能器上部水域)、底層、左水邊、右水邊等。這4個小區域的流速計算方法一般通過實測區的數據外延估算得到[7]。

3走航式ADCP與傳統水文測驗優劣勢的比較

3.1數據計算的優劣比較

傳統水文測驗也在與時俱進，數據處理方法也在更新，如江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局研究的流量實時計算程序就在生產實踐中得到應用[8]。該程序可以根據測時水位和實測大斷面成果自動計算左右水邊與測深測速垂線的起點距，并根據河底高程計算出該測速線是一點法還是兩點法，各點法水深是多少。將測速數據輸入到程序界面上，可以直接計算出流量等結果，并可生成常測法或者簡測法成果表。程序界面見圖1。

走航式ADCP流量測驗程序操作界面較簡單，只需將相關參數設置后即可進行[9]。

在數據的應用處理方面，傳統的流量測驗結果需要按照資料整編程序的格式進行手工錄入，改進后的流量實時計算處理程序可以按照資料整編數據格式直接生成數據文件。走航式ADCP完成流量測驗后生成的成果文件不能直接用于資料整編程序，也需要進一步處理后才能應用于資料整編，這一點鎮江分局的技術人員已經解決，通過編程將走航式ADCP測驗結果與遙測水位、實測大斷面成果進行很好地結合，生成水量合成成果和資料整編成果數據文件等[10]。程序界面見圖2。

流速流向的數據顯示方面，傳統水文測驗只能依賴于流速流向儀進行流向的測量并利用相關軟件如CAD等進行流向數據的圖形化顯示[11]，而走航式ADCP配套的軟件程序則能實時進行流向的圖形顯示。兩者一是需要后處理，一是實時顯示。先進的水文測驗科技(走航式ADCP)較之傳統水文測驗有著較大的優越性。

3.2測驗環境的優劣比較

(1) 水體的含沙量影響

通常認為常規的流速儀法不受泥沙等影響，但是走航式ADCP測驗則與含沙量有一定的影響，特別是儀器型號的選擇,如ADCP的系統頻率的高低、寬帶和窄帶的選擇等等與含沙量有關。一般來說，含沙量較高會影響底跟蹤和水深測量的精度，甚至會失效[4,12]。因此在含沙量較高的河流上一般采用頻率較低的ADCP。在ADCP頻率較低的情況下，對于水深較淺的河流，寬帶又比窄帶有優勢。

圖1　流量測量及計算程序界面圖

圖2　走航式ADCP數據處理程序界面圖

(2) 水深的影響

傳統的流速儀測量水深受流速儀轉子直徑的影響和流速儀懸吊裝置的影響，經研究可以適用于水深大于0.1 m以上范圍[13]，一般低于0.3 m就不能測量了，ADCP一般最小水深為0.3～0.5 m。

(3) 測驗條件

前面已經提過，走航式ADCP一般標配測量船，或者遙控船，不依賴于外界的水文纜道、橋梁等載體，只要流速合適都可以很方便地進行流量測驗。適用于野外巡測等工作環境。而傳統的流速儀需要依賴于外界的載體才行，比較適用于有固定工作場所的地點，如船只、橋梁、懸索等。

4走航式ADCP在太湖湖西區諫壁抽水站水文測驗中的應用

鑒于走航式ADCP眾多優

點，其在各種水文測驗中都得到了應用，尤其是巡測、應急監測、測站備用測流方案等方面。在鎮江水文分局，走航式ADCP普遍應用于邊界水量巡測、水文應急監測、突發性水污染事件的水量監測、突發大洪水水量監測、測站備用測洪方案應急預案的首選或者備選流量測驗、長江水文測驗項目的流量測驗等。

2014年5月起諫壁節制閘拆除重建，蘇南運河的引排水從諫壁抽水站進出。正常情況下均由諫壁節制閘負責從長江引排水，諫壁抽水站主要承擔抽排功能，平時流量測驗工作不多。作為太湖湖西區和沿江重要口門，諫壁節制閘拆除重建后，諫壁抽水站從2014年5月開始發揮了重要作用。剛開始進行流量測驗時，采用流速儀法進行斷面流量測驗。但隨著引水量加大和引水次數的增多，流速儀法流量測驗在時間上花費太多，工作強度較大，人較辛苦，便采用走航式ADCP進行流量測驗。經對6月份60測次走航式ADCP流量測驗成果和測驗情況進行分析，走航式ADCP很實用，精度高、速度快、成果可靠、勞動強度小。一般情況下流速儀法流量測驗一次需用時30 min左右，而走航式ADCP測2個測回用時6～8 min。在具體的流量測驗中，每次2測回，每半測回流量值與平均值的偏差不能大于5%，對于大于5%的采取增加1個測回，計算實測流量值最接近的連續2個測回的平均值[14]。在流量測驗過程中，走航式ADCP顯示出了較大的優勢，圖3即為走航式ADCP流量測驗成果表格。

圖3　走航式ADCP流量測驗表圖

5結語

走航式ADCP具有靈活性、測流歷時短、勞動強度小、精度高等優點，在巡測和定點流量測驗等方面具有不可替代的優勢，是未來水文監測的發展方向。同時眾多研究走航式ADCP與流速儀法流量測驗分析的文章也表明走航式ADCP具有廣闊的應用前景。

參考文獻:

[1]相文璽,楊錦坤,趙昕. ADCP測量數據深度值的正確解析[J].海洋通報,2012(01):94-96.

[2]賈春澤,左林遠,耿倩倩.ADCP在水文測驗中的應用[J].山東水利,2010(07):18-19.

[3]高延雄,薛冰.淺析ADCP測流技術及使用中應注意的問題[J].水科學與工程技術,2014(04):58-60.

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[5]張春海,董曉冰.聲學多普勒測流原理及應用研究[J].吉林水利,2013(11):17-19.

[6]王憲寶,柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測驗對比分析[J].吉林水利,2010(06):81-83.

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[8]謝運山.利用VFP編程實現流速儀法流量計算[J].吉林水利,2010(01):21-24.

[9]劉學勇.走航式ADCP使用方法和注意事項[J].河南水利與南水北調,2015(19):54-55.

[10]劉禮慶,謝運山.基于走航式ADCP流量成果進行水量合成計算[J].人民長江,2015(S1):61-63.

[11]趙德友,王萍,謝運山.VFP和CAD技術在生成流速流向圖中的應用[J].西北水電,2015(01):99-102.

[12]周正道.走航式ADCP在流量測驗中的應用研究[J].甘肅水利水電技術,2012(12):1-3.

[13]李長江.流速儀法測流最小水深計算公式推導[J].水文，2010(02):76-79.

[14]中華人民共和國水利部.SL 337-2006 聲學多普勒流量測驗規范[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

Comparison and Analysis of vessel-mounted ADCP and Conventional Hydrological Measurement

LIU Jingwei, XIE Yunshan, LIU Liqing, CHEN Ning, FAN Yuliang

(Zhenjiang Branch, Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Bureau, Zhenjiang, Jiangsu212028，China)

Abstract:The vessel-mounted ADCP applied for discharge measurement is common in hydrological measurement currently. In the paper, method, principle and advantage & disadvantage of the vessel-mounted ADCP and the conventional current meter are compared and analyzed. The practical application of the vessel-mounted ADCP is introduced primarily. Key words: vessel-mounted ADCP; discharge; measurement

文章編號：1006—2610(2016)03—0009—04

收稿日期：2015-09-29

作者簡介：劉敬偉(1981- )，男，江蘇省句容市人，工程師，主要從事水文測驗、資料整編等方面的研究工作.

通訊作者：謝運山(1974- )，男，江蘇省高郵市人，高級工程師，主要從事水文站網、基本建設及程序設計等方面的研究工作.

中圖分類號：P335

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.002