摘 要：本文介紹了目前世界上最先進(jìn)的流量實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀），并結(jié)合青海某水庫(kù)的實(shí)際情況，介紹了固定式ADCP在指定觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和走航式ADCP在測(cè)流斷面的巡測(cè)和流場(chǎng)分析的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ADCP 水庫(kù) 水文 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）02（a）-0039-02

水運(yùn)工程建設(shè)的迅速發(fā)展給水文測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步提供了極好的機(jī)遇和環(huán)境。近幾年來(lái)，ADCP已經(jīng)在全國(guó)許多地區(qū)水文系統(tǒng)得到應(yīng)用。目前，在青海某水庫(kù)工程已安裝使用了多臺(tái)不同類型和不同型號(hào)的固定式ADCP和走航式ADCP，這些先進(jìn)儀器，正在發(fā)揮其作用，并獲得了較滿意的效果。

1 總體思路

為了滿足該水庫(kù)的流場(chǎng)檢測(cè)需要和河道測(cè)流的適用性以及現(xiàn)代化流量?jī)x器選型的需要，本項(xiàng)目觀測(cè)采用聲學(xué)多普勒水流剖面儀ADCP（以下統(tǒng)稱為ADCP）作為測(cè)流設(shè)備的首選儀器。選用ADCP測(cè)流，技術(shù)含量高，獲得的數(shù)據(jù)豐富，方便數(shù)據(jù)分析，為施工提供畢竟詳盡的流場(chǎng)關(guān)系圖，非常適合本項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)的要求。

ADCP的全名是Acoustic Doppler Current Profilers，即聲學(xué)多普勒水流剖面儀。它是利用超聲波的多普勒頻移的物理原理，可以高分辨率測(cè)量垂直方向或水平方向水流的瞬時(shí)流速，同時(shí)還能測(cè)量河流深度或河流寬度，從而可以直接計(jì)算出河道的斷面流量。

ADCP根據(jù)不同的測(cè)量方式，可以分成走航式和固定式兩種[1]。

（1）走航式的ADCP是將儀器的水下?lián)Q能器垂直固定在船舷邊或船頭，當(dāng)船只從某岸航行到彼岸時(shí)，即可采集到計(jì)算流量所需的全部資料，包括河流深度、水流速度和儀器在河流中的水平位置，該位置是使用底跟蹤技術(shù)通過(guò)對(duì)河底速度測(cè)量算出的。走航式ADCP的一個(gè)突出特點(diǎn)是它能測(cè)出垂直于航線的流速分量。流量測(cè)量的結(jié)果不受選用的航線影響，可以選取垂直航線、斜航線，也可以選取之字形航線，甚至在河流中段繞圈的航線進(jìn)行測(cè)量。采用不同的工作頻率和不同的分辨率可以適用于不同的河道流速和不同的河流深度。這種形式的ADCP，其測(cè)量范圍：流速為0～10 m/s，精度為±1%、±0.5 cm/s；河道深度6～180 m（視不同的型號(hào)，不同的工作頻率）。

走航式ADCP的最大特點(diǎn)是：①可以不受河寬的限制，當(dāng)裝備有ADCP的測(cè)量船從河流某斷面一側(cè)航行至另一側(cè)時(shí)，即刻測(cè)出河流的流量；②適合巡測(cè)，可以在不同的河道上使用；③流量的測(cè)量精度比固定式高。

走航式ADCP在測(cè)量時(shí)，作業(yè)船航速是影響流量測(cè)量精度的重要因素，且可以由測(cè)量者控制。航速越低，流量測(cè)量誤差越小，一般航速可以控制在0.5～1.0 m/s之間。河面越寬、河流流速越大、系統(tǒng)頻率越高、系統(tǒng)發(fā)射速率越快，其流量的測(cè)量誤差就越小。一般來(lái)說(shuō)，走航式ADCP適合于水文巡測(cè)。

（2）固定式的ADCP有二種測(cè)量方式。一種是垂直測(cè)量方式：是將儀器的水下?lián)Q能器垂直向下裝在水面下的某一個(gè)固定位置，向下發(fā)射超聲波，或者是將換能器垂直向上裝在河底的某一個(gè)固定位置，向上發(fā)射超聲波。測(cè)得垂線平均流速，從而推算出斷面的平均流量。另一種是水平測(cè)量方式：是將儀器的水下?lián)Q能器水平方向裝在水面下的某一個(gè)固定位置，面向河道的彼岸水平發(fā)射超聲波，測(cè)得某一段單元長(zhǎng)度內(nèi)的層平均流速，與斷面的平均流速建立關(guān)系后，再計(jì)算出河道斷面的瞬時(shí)流量。固定式的ADCP，是目前國(guó)外推出的新一代流量計(jì)，它具有安裝容易，操作簡(jiǎn)便，精度高，價(jià)格低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量范圍：流速為0～6 m/s，精度為±1%、±5 mm/s，實(shí)測(cè)的最大水平單元長(zhǎng)度在6～120 m左右（視不同的型號(hào)，不同的工作頻率）。

固定式ADCP的最大特點(diǎn)是：（1）不需要航船，儀器的價(jià)格低于走航式ADCP，因此總的投資就相對(duì)比較少。（2）它的安裝、操作和維護(hù)都比較簡(jiǎn)單易行。（3）儀器可選配超聲波水位探頭，在測(cè)速的同時(shí)，直接測(cè)量出水位。（4）可以在線實(shí)時(shí)和自動(dòng)定時(shí)監(jiān)測(cè)流量。一般來(lái)說(shuō)，固定式水平ADCP適合于在線的監(jiān)測(cè)和固定測(cè)站斷面的流量測(cè)驗(yàn)。

2 ADCP在水庫(kù)中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證ADCP在水庫(kù)工程的適應(yīng)性，我單位在實(shí)施全面測(cè)量前使用定點(diǎn)測(cè)流的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式SL-2型流速儀與ADCP定點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了垂直方向流速的詳細(xì)比對(duì)。經(jīng)過(guò)26小時(shí)的數(shù)據(jù)回歸分析后，其結(jié)論是：二者之間誤差小于10%的上線率達(dá)到85%以上，符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求。

2007年12月，我們采用ADCP在該水庫(kù)進(jìn)行了全面的流場(chǎng)關(guān)系調(diào)查。根據(jù)工程建設(shè)的需要，我們?cè)谒畮?kù)堤軸線方向和合攏口重點(diǎn)檢測(cè)的地方布設(shè)兩條加測(cè)斷面。

（1）垂線平均流速和平均流向的計(jì)算。

首先計(jì)算出各測(cè)次每個(gè)斷面上所有實(shí)測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速、平均流向、平面坐標(biāo)；流向改正為真北方向，真北方位角為實(shí)測(cè)流向加上磁偏角改正值，垂線平均流速、平均流向用真北角進(jìn)行計(jì)算。然后采用矢量分解合成法，先求出各測(cè)點(diǎn)流速東西、南北方向的分量，再根據(jù)各分量的垂線平均值進(jìn)行合成計(jì)算，求出垂線平均流速和平均流向。

（2）實(shí)測(cè)流速上下盲區(qū)處理。

由于受儀器發(fā)射聲波轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制以及河（海）床對(duì)聲波干擾的影響，測(cè)流時(shí)在垂直方向存在測(cè)驗(yàn)盲區(qū)（如圖1所示），所以在每一個(gè)微水深剖面（或稱流速垂線）上，ADCP流速測(cè)驗(yàn)由上下盲區(qū)和實(shí)測(cè)區(qū)組成：上盲區(qū)靠近水面（表層），其厚度大約為ADCP換能器入水深度、ADCP盲區(qū)、以及單元厚度一半之和。下盲區(qū)域靠近河底（底層），稱為“旁瓣”區(qū)（河底對(duì)聲束的干擾區(qū)）。其厚度取決于ADCP聲束開(kāi)角（即換能器與ADCP軸線的夾角）。例如對(duì)于聲束開(kāi)角為20°的ADCP，相應(yīng)的“旁瓣”區(qū)厚度大約為水深的6%。

對(duì)上、下盲區(qū)的流速處理，沿用標(biāo)準(zhǔn)的流速垂直分布數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)際流場(chǎng)形態(tài)，經(jīng)比測(cè)分析得出上、下盲區(qū)的流速估算模型。水面和水底的流速皆為根據(jù)模型計(jì)算得到。水面流速和ADCP實(shí)測(cè)第一個(gè)單元流速之間的關(guān)系公式為：

V水面=V1c×ζ

V1c為ADCP在垂直方向所測(cè)的第一個(gè)單元流速，ζ的值大約在0.98～1.03之間。

水底流速和ADCP實(shí)測(cè)最后一個(gè)單元流速之間的關(guān)系公式為：

V水底=VcL×ζ

VcL為ADCP在垂直方向所測(cè)最后一個(gè)單元流速。

ζ的值與河床特性及測(cè)線水深有關(guān)，經(jīng)對(duì)大量的比測(cè)資料分析，其值在0.79～0.85之間，實(shí)際運(yùn)用時(shí)，根據(jù)測(cè)線水深進(jìn)行選取，本次采用0.795（圖1）。

（3）垂線流速提取。

按照六點(diǎn)法的測(cè)驗(yàn)要求，摘錄出相對(duì)水深為水面、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和水底的流速、流向。由于ADCP采用走航施測(cè)，因此各實(shí)測(cè)流速點(diǎn)位和施測(cè)時(shí)間皆不正好同步，需對(duì)所有實(shí)測(cè)流速進(jìn)行改正計(jì)算。

（4）測(cè)量實(shí)施。

在漲落急時(shí)，各測(cè)一次。共檢測(cè)三條斷面。在測(cè)量堤軸線時(shí)，遇到施工船舶和漁網(wǎng)，故測(cè)量線相北偏移繞開(kāi)障礙物，同時(shí)由于計(jì)劃測(cè)量線的部分區(qū)段水深比較淺，已經(jīng)進(jìn)入ADCP盲區(qū)覆蓋范圍，所以部分區(qū)段不能獲得可用的ADCP數(shù)據(jù)。此區(qū)段所占比例不大，基本不影響整體區(qū)域的流向分析。具體ADCP測(cè)量線見(jiàn)圖1。在利用ADCP實(shí)施測(cè)量時(shí)，船速基本控制在5節(jié)左右以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。

全部測(cè)量過(guò)程采用DGPS實(shí)時(shí)差分定位系統(tǒng)配合Hypack軟件進(jìn)行導(dǎo)航和數(shù)據(jù)采集，全數(shù)字化成圖。數(shù)據(jù)采集時(shí)，保存兩種數(shù)據(jù)格式；另一種為原始的HYPACK MAX格式，一種為原始的ADCP格式（*.001文件格式）。這樣的數(shù)據(jù)記錄方法既方便數(shù)據(jù)編輯又方便數(shù)據(jù)回放和保存。

ADCP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用隨機(jī)攜帶軟件“WinRiver”，該軟件操作簡(jiǎn)易，界面美觀，以不同顏色來(lái)表示不同流速，鼠標(biāo)指到任何水層均能給出該水層的適時(shí)信息，同時(shí)，“WinRiver”軟件能顯示出矢量圖和實(shí)測(cè)流量，每個(gè)斷面結(jié)束時(shí)都記錄下所有當(dāng)時(shí)設(shè)置的參數(shù)，事后利用當(dāng)時(shí)的參數(shù)可回放（Playback）野外采集的過(guò)程及數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)采集的完整安全。

在此次測(cè)量中我們也同時(shí)采用HYPACK MAX軟件實(shí)施內(nèi)業(yè)處理。利用HYPACK MAX軟件后處理后，立刻可以讀取各點(diǎn)各層的流速流向。

用這些方法測(cè)到的流速數(shù)據(jù)，換算得到斷面平均流速，與SL—2同步測(cè)得的層平均流速用回歸方法進(jìn)行分析。通過(guò)上述方法的率定，將SL-2的層平均流速與斷面平均流速建立回歸關(guān)系。這些測(cè)點(diǎn)的回歸關(guān)系都比較好，其回歸系數(shù)都在90%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

該水庫(kù)的建設(shè)，對(duì)青海經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，多普勒測(cè)流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，再配合其它輔助手段實(shí)現(xiàn)水資源的全面監(jiān)測(cè)，可以較好的解決河口的流量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題。多項(xiàng)工程ADCP應(yīng)用，工程人員已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗(yàn)，為今后廣泛應(yīng)用ADCP進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。同時(shí)ADCP對(duì)水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)有積極的影響，使用該方案可為水文監(jiān)測(cè)提高測(cè)量精度。隨著科技的進(jìn)步及ADCP的廣泛應(yīng)用，勢(shì)必加快水文現(xiàn)代化的步伐，為今后水資源管理，為防汛抗旱、合理開(kāi)發(fā)、利用、管理水資源和保護(hù)水環(huán)境發(fā)揮重要作用，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。

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