ADCP及其在水文測驗中的應用研究

陳金徐

摘要：隨著社會經濟的持續發展，我國水利工程走上了快車道，水利技術的發展與科學技術的進步息息相關，水利工程的建設與人們生活、生產活動存在密切聯系。結合目前情況來看，我國多項科學技術在水利建設中得到了廣泛應用，改善了水利項目的質量。本文以ADCP（英語：Acoustic Doppler Current Profiler）在水文測驗中的具體應用為例，對該設備的原理、優勢和應用中的優缺點展開探討，旨在為相關人員提供參考。

關鍵詞：ADCP;水文測驗;應用研究

在科學技術支撐下，水文測驗中應用到的新設備類型越來越多，技術越來越先進，以ADCP在水文站測驗中的應用為例，相比傳統測驗技術，該技術靈活性更高，應用成本低、操作簡單，測量的數據結果全面。但是水下環境變量多，水文測驗工作難度大，技術人員要明確ADCP應用中的要點、難點環節才能提高測驗數據的精準度，保證ADCP的應用效果。

1、ADCP應用原理和測量方式

ADCP是聲學多普勒流速剖面儀（英語：Acoustic Doppler Current Profiler）的縮寫，是一種用于測量水速、水流量的水聲學流速計。其作用原理與聲吶類似，在具體應用過程中依賴聲波換能器和聲脈沖波測量水流量和流速，ADCP向被測水體環境中發射聲波，在水體的作用下聲波以散射的方式發出回波信號，當ADCP接收到回波信號之后對相關數據進行分析，利用ADCP的多普勒效應計算出水體中的流速。起初ADCP是RD Instruments公司于19世紀80年代推出的產品系列名稱，發展至今已經成為同一類型聲學流速計的代名詞。在測量水文環境中的水流量和水流速時首先要在測量對象的具體位置處放置并固定好聲波換能器，要保證所選位置具代表性，要避免在水流量和水流速超出正常數值處放置聲波換能器，以免給測量數據的代表性、完整性造成影響。從聲波換能器中發射出一定頻率的聲脈沖波時候，根據不同頻率之間產生的差值就可以計算出所在區域水流速的大小，聲脈沖波頻率差值的產生是由于聲波發射的位置、角度不同。以上是理論性的測量方式的，但是在ADCP實際應用過程中，水體環境中的水流速和水流量是呈動態變化的，ADCP的優勢在于可以對動態變化的水體進行實時、動態測量，并不會影響測驗數據的準確度，與此同時，為保證測量數據的全面性和精準度，在測驗過程中需要ADCP從多角度、多方位、多維度發射聲脈沖。通過這種測驗方式，可以精準測量河流流速、流量以及斷面流速，提高測量結果的全面性，聲波換能器的應用可以大大提高測量結果的真實性和可靠性。結合ADCP的實際應用情況來看，其應用優勢比較明顯，首先體現在ADCP的遙感屬性方面，該設備體積小、攜帶和安裝都比較方便且測量范圍廣，可以大大提高水體環境測量工作的效率，降低測量難度，促進水體環境測量工作的穩步發展。除此以外，ADCP沒有活動部件，面對復雜的水體環境也能表現出較強的穩定性，沒有活動部件的優勢使得ADCP在實際應用時不會受到水下生物的影響，可長時間在水下工作，在動態的水流量和水流速變化中有著極大的應用優勢。

2、ADCP在水文測驗中的應用

眾所周知，水文測驗工作具有一定的復雜性、系統性和綜合性，水流量、水位、水流速測驗過程中受到降雨量、天氣變化、地下水流動、地質條件等多方面因素的影響，水體環境中的各項參數指標都是呈現動態變化的，測量數據要保證其及時性才能提高數據精準度和全面性。隨著科學技術的持續發展，各類新設備、新工藝、新技術被廣泛應用于水文監測、水文流量測驗中，以ADCP為代表的設備在水文測驗中的應用，可以大大提高了河流測量數據的精準度，該設備測量范圍廣、體積小、成本低，測驗的流速不僅包括主河流流速還可以精準測量靠近河岸兩邊的水流流速。

2.1明確水文流量目的

ADCP是一種先進的流量監測設備，發展至今在水文環境監測中的應用廣泛，應用效果明顯，其中包含四個換能器，水文環境比較復雜，ADCP在水文環境測驗中有著明顯的優勢，通過合理、科學應用測得數據可以對河流水體進行有效治理。隨著我國社會經濟的不斷發展，各個行業的生產活動對水環境造成的影響比較大，加強水體環境中流量、流速、水生物的測量可以保證河流周邊環境的農業生產，為防洪抗旱工作提供有效的數據支撐。一般情況下，對于中小河流而言，該類河流區域擁有肥沃的土壤，居住著大量居民，河流中的水的情況會對當地居民的生產生活造成直接影響。河流水汽流動靈活性強，天氣變化、降雨量、季節變化、地質條件會對河流流速、水位造成較大的影響，利用ADCP測量水流流速、水流量在保障河流周邊居民正常生產生活，提高水資源利用率，實現可持續發展等方面有著重要的意義。

2.2優化ADCP技術應用優化

如上文所述，ADCP具有體積小、方便攜帶、安裝簡單等特征，在利用ADCP對河流水文及其測驗時要根據河流流速以及需要測量的要求確定好安裝位置，通過遙感控制ADCP進行聲脈發射，在水中發射之后會產生反射，水流流速的變化會對聲脈頻率產生影響，通過對反射波脈沖和發射脈沖進行對比，利用頻率的不同對水體流速進行計算。值得注意的是，在ADCP具體運用過程中可能會出現測驗誤差，為了提高數據收集分析結果的準確性，必須要明確產生誤差的具體原因進行分析，通過對ADCP放置位置、數據接受頻率進行調整，以降低測驗誤差造成的影響，具體來看，ADCP測驗誤差主要體現在以下幾個方面：首先， 在一些含沙量較大的水域進行測量時，受到砂石的影響，聲波反射過程中會被吸收一部分，有些距離換能器較近的區域會產生很大的回波強度，對于距離換能器較遠的區域，回波強度會下降，上述情況會使得ADCP剖面深度減小，從而對ADCP底跟蹤和水深測量誤差增加，甚至會出現失效的問題。除此以外，在流量測驗過程中，所選取深度單元尺寸如果存在差異也會給最終的測量精準度造成影響，例如，當單元尺寸較小時水流流量、流速測量的分辨率高，在這種情況下可以進行大范圍測量，但是精準度會降低。如果單元尺寸選擇較大，相應的測量范圍會降低，但是測量精準度會明顯提升。其次，通過不同的脈沖數據輸出可以對流速以及流量的測量精度造成直接影響。一般情況而言，當一些單脈沖的數據在輸出時會使ADCP 在單位時間內脈沖采樣速率產生一定程度的下降，從而對測量結果的精度造成一定程度的影響。除此之外，當一些多脈沖數據再進行輸出時，會使數據處理的時間降低，提高脈沖發射數量。針對不同的誤差類型，技術人員在開展水文測驗工作時首先要明確產生誤差的主要原因，通過適當調整ADCP的發射頻率，通過控制頻率來降低頻率引起的誤差。也可以通過調整底跟蹤脈沖強度降低推移質造成的誤差，總而言之，水文測量工作本身就具有一定的復雜性，測量人員要加強對細節性問題的管控才能提高測量結果的準確性。

3、結語

綜上所述，ADCP在水文環境測驗中的引用具有明顯的優勢，針對復雜的水下環境，該設備可以進行動態、實時監測，提高測驗數據的及時性、精準性，技術人員要明確該設備的優勢和缺點，加強對細節性問題的管理，可以有效降低測驗過程中產生的誤差，相比其他測量設備來說可以簡化測驗工序，提高工作效率，為水利工程建設、抗洪防旱工程提供全面、及時的數據支撐。

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