水文測(cè)驗(yàn)中ADCP的應(yīng)用分析

程瑞修

【摘要】在水文測(cè)驗(yàn)工作中，如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量效率提高、測(cè)量時(shí)間減少以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)都是水文技術(shù)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。而近年來(lái)研制出的ADCP儀器使得水文測(cè)驗(yàn)工作邁出了發(fā)展道路上極其重要的一步。本文主要對(duì)ADCP的基本原理、特點(diǎn)和相關(guān)測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】水文測(cè)驗(yàn)；ADCP；應(yīng)用

ADCP是聲學(xué)多普勒流速剖面儀的簡(jiǎn)稱，是以聲學(xué)多普勒原理為基礎(chǔ)研制的。目前，該儀器是世界上河流流速流量實(shí)時(shí)測(cè)量最常用、最先進(jìn)的設(shè)備，是借助超聲波多普勒頻移的物理原理，通過(guò)高分辨率對(duì)水流垂直或水平方向的瞬時(shí)流速以及河流深度、寬度進(jìn)行測(cè)量，以此將河道斷面流量計(jì)算得出。

1、 ADCP的基本原理

ADCP儀器是借助配備的換能器在發(fā)射某個(gè)頻率固定的聲波后，仔細(xì)聆聽(tīng)水中顆粒物散射的聲波完成測(cè)驗(yàn)工作的。假設(shè)水體中顆粒物有著與水體速度相同的運(yùn)動(dòng)速度，ADCP通過(guò)跟蹤顆粒物的運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱“水跟蹤”）所測(cè)量的速度是以ADCP為參照狀態(tài)下水流的速度，測(cè)量過(guò)程中，在水跟蹤測(cè)量的相對(duì)速度中將換能器載體移動(dòng)速度減去便能將水流絕對(duì)速度得出。ADCP有著與傳統(tǒng)流速儀法相同的流量測(cè)量原理，都是將測(cè)流斷面分成多個(gè)子斷面，隨后對(duì)每個(gè)子斷面內(nèi)垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速、水深進(jìn)行測(cè)量，以此將子斷面內(nèi)平均流速、流量得出，最后通過(guò)各個(gè)子斷面內(nèi)流量的疊加進(jìn)而將整個(gè)斷面的流量得出。

2、 ADCP的特點(diǎn)

2.1、動(dòng)態(tài)測(cè)量

傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式中，不管是人工船測(cè)、橋測(cè)或是涉水測(cè)量等，都是將測(cè)量?jī)x器固定在所測(cè)垂線處進(jìn)行測(cè)量的。而采用ADCP儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)是以動(dòng)態(tài)方法進(jìn)行的，與測(cè)船運(yùn)動(dòng)過(guò)程同步進(jìn)行的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2.2、采樣率高

傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式中，河流斷面上布設(shè)的測(cè)驗(yàn)垂線僅有幾條，而每條垂線上的測(cè)點(diǎn)也十分少。而采用ADCP進(jìn)行測(cè)量時(shí)，即便是在測(cè)船航行過(guò)程中也有著極高的采樣率，能同時(shí)對(duì)幾十個(gè)深度不同的采樣值進(jìn)行測(cè)量。

2.3、斷面布設(shè)靈活

傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式中，通常都是將測(cè)流斷面與河岸垂直。而采用ADCP進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其測(cè)量結(jié)果并未與船只至河流此岸到彼岸間航線存在聯(lián)系，無(wú)論是斜線或是曲線的軌跡都可以，從而將測(cè)量工作進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

3、 ADCP的應(yīng)用

3.1、流量測(cè)量

ADCP能夠快速準(zhǔn)確地將測(cè)量斷面流量。有學(xué)者展開(kāi)了對(duì)ADCP測(cè)流的工作原理的研究，通過(guò)該儀器所測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ADCP所測(cè)流量數(shù)據(jù)結(jié)果十分準(zhǔn)確，這也為水資源管理信息化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。也有學(xué)者將其測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果與人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后借助指標(biāo)流速法將其與纜道流速儀法測(cè)量斷面流速間的關(guān)系確定，并通過(guò)誤差統(tǒng)計(jì)確定流速公式。而通過(guò)水平式ADCP測(cè)驗(yàn)水位與指標(biāo)流速的對(duì)比，對(duì)平均流速與斷面指標(biāo)流速間的關(guān)系分析，實(shí)現(xiàn)水位流量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集，從而為解決水文站斷面岸死水分界提供有效根據(jù)。而通過(guò)對(duì)水文站流量的觀測(cè)，對(duì)流速儀法與走航式ADCP測(cè)量河流流量的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出在河床穩(wěn)定、含沙量少、流況簡(jiǎn)單的河流流量測(cè)量中能夠應(yīng)用。而通過(guò)對(duì)ADCP測(cè)流原理的研究，并于水文站實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，得出寬帶ADCP能夠測(cè)得一定精確度的流量結(jié)果。

3.2、水深測(cè)量

ADCP在將聲波脈沖發(fā)射過(guò)后，從不同深度的水體中背向散射回來(lái)的聲波脈沖信號(hào)在時(shí)間上存在區(qū)別，不過(guò)都為連續(xù)的狀態(tài)。但是，聲波脈沖的傳播速度在一定水域、深度范圍水體中都是不變的，因此，對(duì)于水深的確定可根據(jù)聲波脈沖發(fā)出至接收過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間而計(jì)算得出。

通過(guò)對(duì)ADCP本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得知該儀器測(cè)量的水深數(shù)據(jù)結(jié)果不夠精確，故而提出利用DGPS方式對(duì)船速測(cè)定，以此修正磁偏角，從而校正原始水深數(shù)據(jù)的方法，以已建河床DEM數(shù)據(jù)為根據(jù)能夠確保所測(cè)河床高程值更加精確。有學(xué)者通過(guò)將測(cè)流過(guò)程中ADCP能夠同時(shí)連續(xù)對(duì)水深測(cè)量的功能與GPS高精度定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能相結(jié)合，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，得出ADCP能夠?qū)⑺碌匦螠y(cè)量的要求完全滿足。在特殊水下地形測(cè)量中，將單品測(cè)深儀和走航式ADCP所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，走航式ADCP能在特殊水下地形測(cè)量中完成流量測(cè)驗(yàn)的同時(shí)也將單品測(cè)深儀所負(fù)責(zé)的任務(wù)完成。

3.3、流態(tài)測(cè)量

傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方法無(wú)法滿足對(duì)某個(gè)空間流場(chǎng)或斷面流態(tài)的觀測(cè)要求，僅能測(cè)量代表斷面施測(cè)點(diǎn)流速的大小。而采用ADCP時(shí)，其測(cè)流技術(shù)能將每個(gè)深度單元流速矢量東、北和垂向分量測(cè)出，以此獲得連續(xù)的垂直剖面資料，同時(shí)還能將斷面流場(chǎng)的空間分布和三維流態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速得出。有學(xué)者采用走航式ADCP對(duì)長(zhǎng)江口水文斷面和流暢形態(tài)的流量測(cè)量進(jìn)行了研究，得出ADCP能準(zhǔn)確測(cè)量、采集長(zhǎng)江口的水流結(jié)構(gòu)、潮流特性及實(shí)現(xiàn)超流量測(cè)量分析，可得出其他類型儀器無(wú)法得出的數(shù)據(jù)信息量。而在內(nèi)河流態(tài)測(cè)量中ADCP存在問(wèn)題的研究中，有學(xué)者以瀘州火電廠取水口河段的流態(tài)觀測(cè)為例提出借助GPS技術(shù)和外界羅京技術(shù)將其測(cè)量誤差改正的方法，并得知該方法準(zhǔn)確。有研究者通過(guò)ADCP描述了某船下游航道流態(tài)的過(guò)程、方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算并對(duì)結(jié)果是否合理進(jìn)行檢查后得到了準(zhǔn)確的橫向回流流速數(shù)據(jù)，從而為適航流量級(jí)別的劃定提供了有效依據(jù)。

4、結(jié)語(yǔ)

ADCP儀器因其測(cè)量方式高效、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，故而使水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速。隨著水文測(cè)驗(yàn)中ADCP的應(yīng)用不斷廣泛，水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性也能確保我國(guó)水利行業(yè)的穩(wěn)定、健康發(fā)展。而近年來(lái)科技技術(shù)的不斷發(fā)展也推動(dòng)了ADCP儀器的進(jìn)一步改進(jìn)，也使得該儀器測(cè)量所得結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

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