走航式ADCP 在水文測驗中的應用

馬厚標，胡燦華，崔海濤

（濟寧市水文中心，山東 濟寧 272019）

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）即聲學多普勒流速剖面儀。ADCP 在水文測驗工作中具有機動靈活、高效便捷、精細準確等顯著優(yōu)勢，近年來在水文監(jiān)測領域得到了廣泛應用。該儀器按照測量方式，可分為固定式和走航式[1]。其中走航式ADCP 適用于含沙量不大、漂浮物不多條件下的水文測驗測流工作，是目前的主力測流設備。國內對其應用研究起源于二十世紀九十年代，二十一世紀初各地普遍開始進行ADCP 水文測驗的應用研究，并逐漸在生產中推廣應用。隨著《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》的頒布，使用ADCP 測流正式成為水文測驗的一種常規(guī)手段。然而，在使用走航式ADCP 進行水文測驗過程中，對于出現的問題如不能采取科學有效措施加以解決，輕則會引起水文測驗中流量成果產生較大誤差，重則造成流量數據錯誤，尤其是洪水來臨時，將直接影響防汛部門決策的科學性，對人民群眾生命和財產安全造成威脅。

1 走航式ADCP 測流原理

走航式ADCP 測流原理和流速儀測流原理基本相同，都是在測驗斷面上布設多個測點，多條測深、測速垂線，然后分別測出各條垂線所在位置的水深和流速，根據流量測驗基本公式，得出部分斷面流量，所有部分斷面流量累加得到全斷面流量[2]。不同的是，走航式ADCP 相當于可以測量高密度垂線和測點的流速儀，相應的垂線數和測點數遠遠高于普通流速儀所采用的精測法。測流時，走航式ADCP 直接根據測到的所有微單元流量累積得到實測部分流量，頂部、底部盲區(qū)流量和岸邊部分流量是推算值，這4 部分流量合成斷面流量。

2 常見問題及解決辦法

2.1 載體及外接設備的安裝

走航式ADCP 需要渡河，因此儀器探頭需要有載體，常見的方式有使用測船安裝、纜道安裝、專用或臨時浮體安裝等。生產上通常采用專用浮體安裝，用小型測船牽引，這樣可以盡量減少儀器入水深度、減小測量盲區(qū)，并且避免較大的測船在航行中對水流的影響。風浪較大、浮體搖晃影響觀測的，可采用船載安裝。船載安裝時，水深較小、測船較大的采用船頭安裝，水深較大、斷面較寬的可采用船舷安裝，通航河段交通頻繁、河床不堅硬的可采用船底安裝[3]。儀器應安裝牢固，安裝過程中應防止碰撞儀器的探頭表面。在確認信號線、電源線正確連接后方可通電工作。

外接設備也需要仔細安裝，GNSS 接收機應安裝在儀器正上方，其高度要盡量低，以免船只搖晃時產生垂線定位偏差。外接羅經的艏向應與ADCP 艏向完全一致，否則可能導致較大的流量誤差。在外接GNSS 接收機時，除非確認測船或浮體等沒有電磁干擾影響，否則必須進行ADCP羅盤校準，外接羅經為磁羅經的也需要校準，否則會因方向誤差導致較大的流量偏差。當需要外接測深儀時，測深儀換能器應臨近ADCP 安裝，與ADCP 的軸向保持平行，因此測深儀支架宜與ADCP 支架一并設計制作。

2.2 儀器安裝和檢測

在安裝時，儀器要輕拿輕放，安裝牢固，連接換能器的插頭上要抹適量硅脂，插好后要注意鎖好鎖圈。接通電源時，儀器會發(fā)出“嘀嘀嘀”的聲音，如果聽不到聲音，可在WinRiver2.10 軟件菜單欄“新測量”選項卡中進行檢測，在檢測過程中，要把ADCP 外面的保護套拿掉，避免影響訊號發(fā)射，同時要保證線路連接良好，電源電量充足。檢測結果正常但還是不能開始工作的，則應檢查硬件是否存在故障。

2.3 差分GPS 檢測

在儀器正常的情況下，GPS 接收機的指示燈應為閃綠燈，差分燈應為閃紅燈。常見問題是收不到衛(wèi)星或者差分數據，通常原因有以下5 種：線路鏈接問題，硬件故障，附近有高大建筑、橋梁等影響信號接收，儀器配套手機卡停機，正在使用的賬號已在別處登陸。相對應的解決方法是：檢查線路各部分是否完好；檢查硬件是否損壞；避開障礙物；檢查配套手機卡是否停機；檢查賬號是否有他人正在使用。

2.4 GPS 羅經檢測

在儀器正常情況下，點擊“檢測GPS 和羅經”，指示燈會很快變綠。如果未變綠，要依次查看線路連接、通訊狀況是否良好。通訊檢測可以首先查看硬件設施中的通訊端口是否正確連接，然后在接收機配套軟件里設置相應的端口，最后在WinRiver2.10 軟件配置的外圍設備里設置檢測參數。

2.5 測流參數設置

主要參數有底跟蹤呯數、水跟蹤呯數、單元尺寸、單元數、盲區(qū)設置。參數要根據測流斷面情況合理設置，其中，水跟蹤和底跟蹤呯數應根據斷面寬窄、水深大小進行設置，以全斷面流速分布平滑及垂線間隔設置需要為原則，具體數值需要通過試驗進行判斷。深度單元數的設置不能超過設備允許的上限，而且深度單元尺寸與深度單元數的乘積要大于或者等于所測斷面的最大水深[3]。通常情況下，在最大水深處，實際觀測到的單元數要比儀器可設最大單元數至少少2 個。因此，在控制綜合誤差的要求下，單元數越多，垂線流速觀測分辨率越高，垂線流速觀測結果也越接近真值，單元數盡量不少于20 個。但是，垂線上單元數的設定要兼顧對斷面垂線數的影響，設置單元數越密，信號處理耗時越多；反之，在控制走航歷時的條件下，斷面上得到的總垂線數越少、垂線間隔就越大。因此應該合理確定單元尺寸的大小。具體操作中，可以先到斷面最大水深處，從最多可設單元數相應的單元尺寸開始，逐漸增大單元尺寸，取垂線剖面數據的信號間隔在明顯由大到小的變化轉為不再明顯變小的節(jié)點，以此時設置的單元數為最佳。盲區(qū)設置要小于儀器標稱的最小盲區(qū)值。如果水深足夠大，可以適當增大盲區(qū)設置值，對于需要進行流速分布數據提取的，可以根據要求通過盲區(qū)值的設置將單元位置設定在逢5 或0 的位置。

2.6 走航施測流量

采用船載方式走航施測時，首先逆流緩慢向斷面起點前行，快要抵達起點時，使船速與流速基本接近，到達起點位置后使船只穩(wěn)定，啟動數據采集功能，下達開始記錄指令，記錄水邊距。待達到所需數據量后，操控船只沿著橫斷面勻速離開。當接近終點時候，提前降低船速，并最終控制船只穩(wěn)定于終點位置，等達到岸邊流速計算所需的數據量后，下達結束本單程測回的指令，記錄水邊距，如需進行返測，則繼續(xù)控制船只穩(wěn)定在終點，下達開始記錄指令，記錄水邊距，待達到所需的數據量后，操控船只沿著橫斷面勻速返回。在對岸重復上述操作。

2.7 航跡中途或者河底位置出現空白的處理

如果僅在航跡中途出現空白，測船要在空白部分重新測流，不會對最終測流結果產生影響。如果在河底位置出現空白，則該測次測流數據無法使用，需要進行重測。

2.8 走沙判斷

在多沙地區(qū)，有一些河流存在推移質運動或者河底存在高含沙水層，當ADCP 的聲波不足以穿透沙層抵達河床的硬底并正常反射時，就會出現航跡偏離。如果將ADCP 固定在某處不運動，則可以看到數據表現出儀器在往上游運動的假象，這種現象被稱為“移動底”現象，也被稱作“走沙”。通常有4 種應對方法：一是采用頻率更低的設備，但這樣分辨率和精度會有所下降，水深較小時流量誤差會比較大；二是外接GNSS 定位設備，但需要在進行準確的磁偏角設置和羅盤校準有磁干擾情況下；三是采用“回路法”，但須按照流程正確設置軟件并進行操作；四是采取固定垂線方式觀測，將ADCP 當做流速儀，用水跟蹤值計算垂線流速。以上4 種方法，可以根據具體情況合理選用。

2.9 測流結果超差的處理

常見原因有3 種情況：河底動底；定位和定向天線接反；參數和命令設置不合理。相應的解決辦法是：使用GPS 的定位信息數據或地面速度信息數據；正確連接定位和定向天線，并重測；合理設置各項命令和參數后，多次測流，減少誤差。

2.10 測流數據挑選

無動底發(fā)生時，GPS 定位信息模式、地面速度信息模式、底跟蹤模式測船航跡線基本重合，優(yōu)先使用底跟蹤數據；如果發(fā)生動底，則使用兩個測回GPS 定位信息或者地面速度信息數據進行航跡擬合，采用擬合后的數據作為最終測流成果。

2.11 儀器維護保養(yǎng)

每次測流結束后，應切斷電源，將儀器擦拭干凈并晾干后拆卸裝箱，平時應注意蓄電池充電養(yǎng)護及換能器探頭保護。

3 結語

走航式ADCP 在水文測驗中的廣泛應用，極大地提高了流量測驗效率，但應注意在使用中采取有效方法解決覺常見問題，盡量減小流量測驗誤差，提高測驗精度。