胡雪嬌，李 健

（水利部太湖流域管理局 水利發(fā)展研究中心，上海 200434）

1 聲學多普勒流速剖面儀簡介

聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）是20世紀80年代發(fā)展起來的一種快速、經濟的高精度測流儀器。ADCP 的主要原理為多普勒頻移效應[1-2]，即當特定頻率的聲波被1個移動的物體所發(fā)射時，則其接收的反射波頻率會產生多普勒頻率頻移，且該偏移值與物體的運動速度有關，進而可以根據多普勒公式計算出水體的流動速度，公式如下：

式中：Fd為聲學多普勒頻移；Fs為回波頻率；v為顆粒物沿聲束方向的移動速度；C為聲波在水中的傳播速度。

ADCP 主要有2種類型：走航式 ADCP 和水平式ADCP（H-ADCP）[3-4]。H-ADCP 主要用于河流或明渠流速、流量在線監(jiān)測，與走航式 ADCP 不同，H-ADCP 通常側向安裝在岸壁或橋墩上，其流速檢測聲束指向水平方向。H-ADCP 的超聲波發(fā)射探頭與水流總體方向要保持一定的傾斜角度，如果垂直于水流方向發(fā)射，超聲波束不會產生多普勒頻偏，也就測量不到流速。H-ADCP 能夠測量儀器所在的水層處剖面范圍內各單元的流速，用戶可以根據需要將某一水平線段內各個單元內的流速進行平均，得到該線段內的水平平均流速。

2 H-ADCP 在流域引江濟太工作中的應用

2.1 引江濟太簡介

太湖流域位于長江三角洲核心區(qū)域，行政區(qū)劃分屬江蘇、浙江、上海，流域總面積36900km2，人口3680萬人，是我國經濟社會最發(fā)達的地區(qū)之一。太湖居流域中心，是全國第3大淡水湖，水域面積2338km2，對流域防洪、供水、航運、水環(huán)境等具有重要的控制和影響作用。

隨著流域經濟社會的高速發(fā)展，水資源問題日益突出，水質型缺水嚴重，水資源的不足和污染已嚴重制約了流域經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。為改善太湖水水質，組織實施“引江濟太”水資源調度，“引江濟太”，即通過太湖主要的泄洪道望虞河從長江向太湖調水，一方面給太湖補給較清潔的長江水，另一方面加速太湖水體交換速度,通過望虞河調引長江水入太湖改善太湖及河網水環(huán)境?！耙瓭痹诰o急情況下采用動力抽水，平時利用長江下游的潮汐作用向太湖自流調水。引江濟太工程的實施，將改善太湖及周邊水環(huán)境狀況。

2.2 H-ADCP 在引江濟太工作中的實踐

為做好引江濟太水資源調度，為流域水資源科學、實時、精細調度提供技術支撐，對 H-ADCP 監(jiān)測數據與人工通過水文纜道測流方式測量的結果進行對比分析，對比結果如下：

1）2009年引水期間

為保障太湖流域重要水源地供水安全，2009年“引江濟太”調度從 4月27日啟動，至 6月28日結束，望亭水利樞紐引水入湖 ADCP 數據為 4.44億 m3，人工數據為 4.84億 m3。對人工與 ADCP 數據中的日徑流量數據進行比較，結果見圖1；將人工數據與ADCP 每日8時數據和日平均值分別進行線性比較，結果見圖2、3。

圖1 2009年引水期間望亭日徑流量圖

圖2 每日8時數據線性比較

圖3 日平均值線性比較

從圖3可以看出，人工和 ADCP 數據起伏走勢大體相同。由圖2、3可見，2009年引水期間人工與ADCP 每日8時數據線性比較，R2= 0.9067；日平均值線性比較，R2= 0.8237，說明人工測流和ADCP 測流數據之間相關性良好，望亭流量自動監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，測流結果體現(xiàn)了實際流量情況。

2）2009年排水期間

7月上旬，流域普降中到大雨，太湖水位緩慢上升，為確保防洪安全，望亭水利樞紐開始全力排水。對人工與 ADCP 數據中的日徑流量數據進行比較，結果見圖4；將人工數據與 ADCP 每日8時數據和日平均值分別進行線性比較，結果見圖5、6。

圖4 2009年排水期間望亭日徑流量人工數據與ADCP數據比較

圖5 每日8時數據線性比較

圖6 日平均值線性比較

從圖6可以看出，人工和 ADCP 數據起伏走勢大體相同。由圖5、6可見，2009年引水期間人工數據與 ADCP 每日8時數據線性比較，R2= 0.9237；日平均值線性比較，R2= 0.9238，說明人工和 ADCP測流數據之間相關性良好，望亭流量自動監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，測流結果體現(xiàn)出了實際流量情況。

3 ADCP 與人工測流數據差異分析

3.1 2種測流方法的差異

1）采集時間不同。為了便于上報，及時做好分析，每天 8:00的人工測流數據，ADCP 通常在 7:30就已測得。

2）計算方法不同。ADCP 測流數據是1次/5min數據，1天共288次數據，人工測流數據一般是1天4次數據，分別在 7:00、7:30、16:00、17:00各測得1次數據（數據異?；蜷l門啟閉時加測1次），計算出 0:00值（取今日 7:00與昨日 17:00的平均值）和 24:00值（取今日 17:00與第 2日 7:00的平均值），采用面積包圍法計算得出日徑流總量，再取得日平均值；ADCP 測流日數據是用1次/5min 的流量平均值乘以300s，得到5min 內的徑流量，再將全天的5min 累積相加，得到日徑流總量。

3）影響因素不同。蠡河船閘位于望亭立交下游，距離立交僅為百米遠，引水期間，船閘的啟閉會影響人工與 ADCP 測流數據；月城河船閘位于望亭立交上游，距離立交為數百米遠，距離望亭測流斷面較近，船閘的啟閉會影響人工與 ADCP 測流數據；人工測流采用定時測量方式，若測流時正好受到船閘的影響，日平均值變化較大，而 ADCP 是5min 自動采集1組數據，日平均值變化較小。

3.2 2種測流方法差異分析

將2組測流數據以時間為橫坐標畫折線圖得圖1、4，可以發(fā)現(xiàn)，2組數據還是略微存在差異，主要在 4月30日、8月10日、8月31日等時間有差別，具體分析如下：

1）4月30日，ADCP 數據平滑，人工測流數據出現(xiàn)下峰值。當天望亭立交 1～7孔閘常開 1.6m，人工測得的 8:00流量數據（實為 7:30）為 59.10m3/s，日平均流量僅為 7.07m3/s，而 ADCP日平均流量為 70.40m3/s，可認為 ADCP 數據較準確。

2）8月10日，ADCP 數據出現(xiàn)下峰值，人工測流數據平滑上升。當天閘門開度調整達到11次，其中有3h 內閘門處于關閉狀態(tài)，ADCP 數據出現(xiàn)下峰值屬于正常情況。

3）8月31日，ADCP 數據平滑下降，人工測流數據出現(xiàn)上峰值。7:25分，望亭立交提升 1～7號閘門開度 0.2m，加大泄洪力度；21點，望亭立交降低閘門開度 0.2m，控制泄洪流速。7:25分 ADCP 測得的流量數據與8時人工數據均為92.00m3/s，數據保持一致。當天，ADCP 監(jiān)測數據受上下游水位差及閘門開度影響，有規(guī)律變化，最小值92.10m3/s，最高值 119.00m3/s，平均日流量為99.80m3/s，而人工測流8時數據為92.00m3/s ，平均日流量高達252.00m3/s，經分析認為 ADCP 數據較合理。

4 結語

從 H-ADCP 在望亭水文站的應用情況可以看出，H-ADCP 是一種自動化程度較高的測流儀器，它具有簡便、快捷、實時、準確等優(yōu)點。具體如下：1）測量速度快，可以進行快速的斷面流量測量；2）具有對數據資料的鑒別處理能力，避免了不合理數據參與數據處理，影響數據精度的現(xiàn)象出現(xiàn)；3）測量時不干擾水流，可以直接測量流速斷面，適合各種環(huán)境測量；4）可以減輕人工測流強度，增加測流人員的安全性。

ADCP 流量自動監(jiān)測系統(tǒng)在引江濟太望亭站的成功使用，為今后廣泛應用 ADCP 進行水文測驗奠定了良好的基礎。同時，太湖流域江河密布，水網縱橫，采用 ADCP 技術具有許多傳統(tǒng)測量方法無法比擬的優(yōu)勢，在流域防汛抗旱水資源調度管理中提供了重要支撐作用。

[1] 趙新智.淺談 ADCP 的工作原理及應用[J].河南水利，2004（5）: 42.

[2] 馮建軍.ADCP 原理及數據處理方法[J].港工技術，2007（3）: 53-55.

[3] 鄭慶濤.H-ADCP 在流量自動監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].水利科技與經濟，2007（ 3）: 173-174.

[4] 蔡陽.水利信息化技術與建設成果交流展示會論文集[D].北京：中國水利水電出版社，2005: 60-61.