走航式ADCP 在水文測區流量測驗中的應用

張彩鑫

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

走航式ADCP 在水文測區流量測驗中的應用范圍廣泛，應用技巧與方式多樣化。在計算平均流速和流量時，要想得出更加精準的數據，就要考慮不同區域的水流情況，適當調整計算公式。通常來說，水文測區流量測驗是根據水流斷面上分布的垂線位置的側點進行計算的，當水流斷面形成多個小斷面時，還可以針對不同的斷面分別進行測量，再取平均值，最終得出更加可靠的數據。

1 走航式ADCP 簡介

1.1 走航式ADCP 基本原理

走航式ADCP 指的是利用聲學多普勒流速剖面的原理來高效測量斷面流速的一種方式，其包括走航式ADCP 換能器、計算機應用軟件系統、外接設備、傳感器等組成部分，其中外接設備包括線桿、側桿、固定桿等，這些重要的器件共同構成了一個完整的檢測系統，走航式ADCP 架構如圖1 所示。

圖1 走航式ADCP 架構

走航式ADCP 的具體工作流程如下：ADCP 換能器在經過換能轉換之后會形成聲波脈沖，這些聲波脈沖隨著水流的運動，會使得其中的懸浮物質產生多普勒平移，進而發生多普勒變化，變化產生應答信號，并向外輸出有效的信息[1]。不過ADCP 主要測量的是在水流層面當中的三維流速及其具體的流向，這些由懸浮顆粒形成的回波也可以再次反饋給ADCP 換能器和被接收器，產生的顆粒運動就會形成特定的多普勒平移。根據這些平移獲得聲波頻率，進而計算出相應的頻率參數，可以獲得更加精準的水流速度。在實際測量時還要考慮到船只行駛的速度，通過運算公式得到更加精確的水流流速。除此之外，也可以采用其他的傳感器接收由水波中的雜質顆粒形成的反饋信號。

1.2 走航式ADCP 基本特點

走航式ADCP 具有動態化的特點，可以根據實際情況動態調整測量方式。測量方式通常以巡測為主，駐測為輔。為了獲得更加精準的測量數據，通常需要根據實際的水文情況、流速大小、地勢情況、地理氣候等因素，調整測量的方案和具體的參數[2]。

傳統的測量方式下，測探器容易受到河流當中的雜物、石頭、樹木等障礙物的影響，而走航式ADCP則可以更好地克服障礙物的因素。走航式ADCP 中的測探器、傳感器可以發揮較大的正向作用，使得走航式ADCP 具備集成化的特性，可以有效躲避障礙，具備較強的穩固性。由于走航式ADCP 利用了更加精準的測算技巧和計算方式，誤差比較小，適用于大多數的水文測區流量測驗，解決了傳統測量方式存在的弊端，具備智能化、高效率的特點，有利于節省人力物力。同時，走航式ADCP 也具備更高的安全性能，可以有效避免一些安全隱患[3]。

2 走航式ADCP 的應用優勢

2.1 靈活性

走航式ADCP 采取的測量方法靈活多變，可以根據水文測區流域的實際情況以及船只的移動軌跡動態規劃方法和路線。相較于傳統方式而言，走航式ADCP 不需要采用固定的流速儀也可以隨著行船的變化進行移動，不僅可以測量船只的直線速度，還可以測量水文測區內部船只以及其他物體的流動速度，并且能夠動態化地改變測量的時間和方式。

2.2 存儲性能強

走航式ADCP 的存儲性能比較強，其采用了先進的網絡信息技術，相較于傳統的人工存儲記錄方式，這種先進的存儲方式能夠有效地節省時間，減少人力的投入，為整體的水文測區流量測驗項目減少成本。

2.3 抗干擾能力強

走航式ADCP 具備較強的抗干擾能力，除非面臨難以克服的環境災害，在大多數情況下，走航式ADCP 都能夠在水文測區流量測驗的過程中全方位地發揮其效能，實現良好的測速效果。目前，多地都開始利用走航式ADCP 解決水文測區流量測驗中的各項干擾問題，實現更強的防汛抗旱效果，為水環境保護工程提供更精準的實時流量信息[4]。

3 具體案例應用方式

3.1 測站概況

某水文站位于反調節水庫下游約2.8 km 處，距離河口870 km2，集水面積為69.46 萬km2。該站設立于2007 年5 月，是反調節水庫的出庫站，2008 年10月水利部批復為國家基本水文站，是國家重要水文站。該站測驗河段順直段為卵石復式河床，常年比較穩定。河道屬于卵石河床，斷面穩定，全年長期含沙量為0。除了調水調沙期間以外，大部分時間河道流量小于2000 m3/s，斷面穩定，含沙量為0，非常適合ADCP 流量測驗。

近年來，該水文站測驗河段多次出現水草茂盛期，使用流速儀進行流量測驗時，需要不斷清除流速儀上纏繞的水草，不僅延長了測流時間，影響了測驗精度，還增加了工作強度。而ADCP 可以在短時間內精準而迅速地進行測流，因此需要在水流平穩的時候，使用ADCP 與流速儀測流，并進行比測分析，尋找該站適合使用ADCP 的條件，推廣ADCP 在該站水文測驗中的應用。

3.2 比測方案

3.2.1 比測儀器

主要使用LS25-3 型流速儀、“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 進行測量。

（1）LS25-3 型流速儀。LS25-3 型是一種大量程的流速儀，用于河道、水電站壓力管道、溢洪道、大壩工程合攏的高速測量，以及水庫、湖泊和一般河流的中、低速測量。

（2）“瑞江”牌河流型寬帶ADCP。“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 是當前在水文行業推廣的一種新型測流儀器，該儀器利用聲學多普勒原理測量水流速度剖面，具有測驗時間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大等優點。

“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 的4 個探頭可以發射不同頻率的波束信號，信號接收按波束獨立處理，并轉換成波束相對速度，在斷面水草茂盛的河段內，由于探頭不與水草直接接觸以及聲波波束的穿透性，ADCP 流速測量受水草的影響大幅降低。

3.2.2 比測時間

比測時間為 2019 年 7—8 月、2020 年和 2021 年平水期，盡可能選擇受水草影響較小的情況下進行比測實驗。

3.2.3 取得比測資料

本次比測實驗取得31 個ADCP 實測數據和流速儀法水位-流量樣本作為試驗分析資料。

3.3 數據分析

根據實測資料，流速儀法水位-流量關系曲線如圖2 所示，ADCP 法水位-流量關系曲線如圖3所示。

圖2 流速儀法水位-流量關系曲線

圖3 ADCP 法水位-流量關系曲線

對ADCP 法和流速儀法測驗的水位-流量關系曲線進行合理性檢驗：流速儀法的水位-流量關系曲線的標準差為4.81%，隨機不確定度為9.62%；ADCP法的水位-流量關系曲線的標準差為1.08%，隨機不確定度為2.16%。均滿足《水文資料整編規范》（SL 247—2012）中關于水位-流量關系定線指標的要求[5]。

3.4 成果對比分析

3.4.1 誤差分析

參考《水文資料整編規范》（SL 247—2012）中水位-流量關系曲線定線要求：“75%以上的高水位點據與平均線的偏差不超過±5%，75%的低水位點據與平均線的偏差不超過±8%”，本文中ADCP 法與流速儀法水位-流量關系曲線定線合理。

3.4.2 誤差來源分析

產生誤差較大的主要原因是：在一次測流時間內，由于受水庫調節影響，水位變化幅度較大。ADCP測驗時歷時較短，一般為20 min，受水位變化影響較小；而流速儀測驗歷時較長，一般為90 min，受水位變化影響較大，二者無法做到完全同步，從而造成測驗結果誤差較大。

經計算分析，4000 m3/s 流量級以下、含沙量為0時，ADCP 和流速儀實測成果相關關系良好，具有一定的適用性。

4 應用注意事項

在水文測區流量測驗過程中，走航式ADCP 應用的注意事項大致有以下4 個方面。

（1）在利用走航式ADCP 測量流速的時候，需要提前對走航式ADCP 及其運行效率進行檢測，確保走航式ADCP 具備較強的可用性與穩定性。在調節設備參數后，仍然可以更精準地進行測量，保證其不會出現參數測量不準確的情況。

（2）由于走航式ADCP 屬于聲學測量儀，會受到聲波傳遞的影響，需要考慮的外界因素較多，對外界條件的要求往往會比較嚴苛。例如，最常見的干擾因素就是由于泥沙含量過高而導致的聲波干擾現象，過多的泥沙會阻礙水下換能器獲取對應的多普勒聲學聲波，進而導致無法進行接下來各項步驟的測算。所以在執行走航式ADCP 操作之前要對相應的參數進行更合理的測算，保證走航式ADCP 各項流程的順利進行。

（3）為了將誤差控制在更低的范圍內，要準確檢驗走航式ADCP 測驗過程中的限制因素，考慮其運行到河底的推移運動，這種運動會對測量結果的精度造成很大的影響。在對盲區的水流區域進行流速測試時，還需要安裝特定的儀器設備，采取更加精確的測量方式，一般來說在對接更加復雜的水文地段時，可以采用含有30 個以上脈沖的數據值來求取平均值，最終得到更為精準的數據。

（4）在使用走航式ADCP 時，應具備風險預判意識，降低安全隱患的發生概率。例如，當處于暴雨或者其他惡劣天氣下，水文運動會受到較大的影響，發生河水上漲、風急浪大、泥石流等情況，在水流內部還可能會涌現出較多的雜物，導致儀器設備損壞。為了保障走航式ADCP 的穩定性與安全性，技術人員需要進一步預防各類風險，同時根據所在地的天氣因素及時終止測驗，在條件合適的情況下再進行下一步的測量，通過測試各個位置的水文測區流量情況，找到最為穩定的區域，避開不利因素的干擾。

5 結語

綜上所述，走航式ADCP 主要包括走航式ADCP換能器、計算機應用軟件系統、傳感設備等組成部分，利用聲學多普勒流速剖面的原理來高效測量斷面流速，測量水流層面三維流速以及流向。本文通過對某水文站4000 m3/s 流量級以下、含沙量為0 時的流速儀法和ADCP 法流量測驗的對比分析，建立了兩者的相關關系，并對誤差進行分析，其結果均滿足規范要求，這表明ADCP 可以在該水文站投入使用。總體來說，ADCP 測驗方法快捷可靠，能夠獲取較為準確的實測數據，在水文測驗技術的發展方面起到了推動作用，為防洪減災工作提供可靠的保障。