李世強

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

走航式聲學多普勒流速儀適應性研究

李世強

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

走航式聲學多普勒流速儀能夠提高流量測驗工作效率，但是其設計應用環(huán)境與我國內(nèi)陸河流情況不能完全相適應，一定程度上影響測流精度。黑龍江省水文局開展了一系列實驗研究，逐步解決出現(xiàn)的問題，努力減小設備測驗誤差，提高工作效率。

ADCP;GPS;比測實驗;比測環(huán)境

0 前言

河流流量測驗是水文測驗最主要的項目之一。防汛抗旱和水資源管理工作對水文測驗工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的河流流量測驗是在測流斷面上布設多條垂線，算出垂線平均流速，進而得到斷面面積和斷面平均流速。流量則由斷面面積與斷面平均流速的乘積得到。這種方法需要多人熟練配合，耗時長。

Acoustic Doppler Current Profiler通常譯為聲學多普勒水流剖面儀，縮寫為ADCP。ADCP測量船從河流某斷面一側(cè)航行至另一側(cè)時，就能即刻計算出河流流量，比傳統(tǒng)的流速儀法效率提高數(shù)倍，遇洪水時更能凸顯ADCP快速測流的優(yōu)勢［1］。

黑龍江省水文局先后從SonTeck和RDI公司引進多套ADCP測流設備。各測站經(jīng)過幾年的應用，該設備基本實現(xiàn)了預期功能，并應用到日常測流工作中。

由于黑龍江省境內(nèi)各河流匯流情況復雜、氣象情況多變，河流特性多樣等原因，ADCP在使用過程中逐漸暴露出一些問題。

為了解決這些問題，提高流量測驗精度，提升測驗設備長期使用的可靠性和適用性，挖掘現(xiàn)有設備潛能，黑龍江省水文局監(jiān)測處將ADCP測驗設備使用過程中遇到的和可能遇到的問題進行搜集整理，通過實驗分析和解決問題。

1 對比測試實驗

當河底泥沙含量較大時，會影響ADCP對河底深度的測量精度，對于測船行進速度的測量也會出現(xiàn)偏差，導致流量測量結(jié)果偏小。為了減小河底泥沙對測流精度的影響，通過比測實驗找出減小影響的方法［2］。比測實驗包括3個部分:不同頻率ADCP之間比測、ADCP與外接設備兼容性和ADCP外接設備的測流結(jié)果。

1.1 不同頻率ADCP比測實驗

1.1.1 比測環(huán)境

2010年8月16日，松花江干流受降水和上游來水影響流量增大，上游地區(qū)子堤潰堤，造成肇源斷面泥沙含量增大。理論上不同工作頻率的ADCP對河底泥沙的穿透能力不同，頻率高的設備更容易出現(xiàn)丟底的現(xiàn)象，而頻率低的設備穿透能力更強能夠保證探測到河底深度。比測實驗選用工作頻率為1.5 MHz和600kHz的兩款ADCP進行實驗，以此來驗證不同頻率的ADCP在汛期漲水階段的測流能力。

1.1.2 比測結(jié)果

高頻ADCP測量結(jié)果見圖1。從航跡圖中可以看出，中段區(qū)域流速最大，有流速異常情況;從斷面剖面圖中可以看出，水深最大處附近，底跟蹤情況出現(xiàn)異常，有3個以上工作剖面數(shù)據(jù)損壞，根據(jù)《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》(SL337—2006)本次測驗數(shù)據(jù)無效。

低頻ADCP測量結(jié)果見圖2。從航跡圖中可以看出，全剖面流速變化均勻，無異常情況;從斷面剖面圖中可以看出，水深數(shù)據(jù)無異常，底跟蹤正常，測量數(shù)據(jù)有效［3］。

從高頻ADCP與低頻ADCP比測結(jié)果來看，在泥沙含量較大的情況下，低頻設備相對高頻設備更具適應性，測量精度更高。比測結(jié)果見表1。

圖1 高頻ADCP測流結(jié)果

圖2 低頻ADCP測流結(jié)果

表1 高頻ADCP與低頻ADCP比測數(shù)據(jù)

1.2 設備兼容性實驗

1.2.1 硬件連接

當ADCP無法測得河底深度并利用底跟蹤模式測得測船速度時，需要外接測深儀和GPS得到深度和速度數(shù)據(jù)。

因此，驗證ADCP與外接設備的通訊能力是十分必要的，結(jié)合黑龍江省水文局現(xiàn)有設備，將高頻、低頻ADCP和GPS、測深儀設備分別進行數(shù)據(jù)通訊實驗。

數(shù)據(jù)通訊試驗內(nèi)容包括數(shù)據(jù)傳輸和測量精度2個方面。測流設備、GPS和測深儀分別通過RS232接口與電腦連接。試驗以高頻ADCP和低頻ADCP為核心設備分兩組進行，分別連接GPS設備和測深設備［4］。

GPS設備可以為RiverSurveyor程序(高頻ADCP設備測量程序)和WinRiver程序(低頻ADCP測量程序)提供航線信息，包括位置、速度和時間等信息，程序可以計算出測船航行的速度和方向。

測量程序具備連接外置GPS的功能，GPS設備可以與高頻ADCP和低頻ADCP設備協(xié)同工作?；芈暅y深儀可以為測量程序提供水深數(shù)據(jù)，程序中同樣具備外置測深儀的連接功能。

通過設置通訊參數(shù)，ADCP與GPS和測深儀可以進行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)格式滿足測流軟件計算要求。ADCP與GPS和測深儀設備連接參數(shù)見表2。

表2 ADCP與GPS和測深儀設備連接參數(shù)

通過連接試驗，高頻ADCP和低頻ADCP均可以與兩種GPS設備和測深設備進行通訊，GPS數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r發(fā)出，信號質(zhì)量穩(wěn)定，傳輸速度正常，可以為測量程序提供有效數(shù)據(jù)。

在完成數(shù)據(jù)傳輸試驗的基礎上進行測量精度試驗。GPS設備可以提供3種測量模式分別提供導航模式，差分模式和RTK模式，即米級、分米級和厘米級精度。

根據(jù)《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》(SL337—2006)要求，外接GPS提供的數(shù)據(jù)精度不能低于差分精度，也就是說差分模式和RTK模式的數(shù)據(jù)精度才能滿足ADCP測流要求。ADCP與GPS數(shù)據(jù)通訊精度測試結(jié)果表3。

表3 ADCP與GPS數(shù)據(jù)通訊精度測試結(jié)果

由表3可知，導航模式下的數(shù)據(jù)精度不能滿足ADCP測流要求，天寶GPS不具備接收靜止衛(wèi)星差分信號的功能，同樣不能測流要求;徠卡和南方GPS的主機能夠接收靜止衛(wèi)星發(fā)送的差分信號，因此滿足測流要求，3個品牌GPS在RTK模式下的數(shù)據(jù)精度同樣可以滿足測流要求［5］。

1.3 設備組合比測分析

比測實驗分兩組進行，第一組是高頻ADCP與天寶GPS連接，ADCP采用底跟蹤模式，GPS采用RTK模式;第二組是低頻ADCP與徠卡GPS連接，ADCP采用底跟蹤模式，GPS采用差分模式。第一組實驗結(jié)果見表4，第二組實驗結(jié)果見表5，兩組比測實驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。

表4 高頻ADCP底跟蹤與外接GPS比測數(shù)據(jù)

表5 低頻ADCP底跟蹤與徠卡差分模式比測數(shù)據(jù)

表6 兩組比測實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

通過比測實驗數(shù)據(jù)可知，通過外接GPS獲得船速能夠?qū)Υ嬖谧叩赚F(xiàn)象造成的流量數(shù)據(jù)偏小的情況能夠進行修正。由于試驗樣本數(shù)量不足，只能定性分析測流數(shù)據(jù)，不能得出確定具體修正數(shù)據(jù)。因此還需要進行大量的實驗進行分析。

2 結(jié)語

結(jié)合高頻ADCP和低頻ADCP外接GPS比測試驗的結(jié)果可以看出以下3點:

1)在存在走底現(xiàn)象的測驗斷面，高頻設備與低頻設備均會受到走底現(xiàn)象的干擾，導致測量結(jié)果偏小，但低頻設備對走低現(xiàn)象適應性更好，在沒有其他設備輔助的情況下，可以選擇低頻設備減少測驗誤差。

2)外接GPS設備后，能夠?qū)y量結(jié)果進行一定的修正，由于試驗樣本數(shù)量不足，僅能進行定性說明可以修正。

3)對于不同的水位基、水沙關系、水位流量關系和斷面沖淤情況，還需要進行大量、詳細的比測試驗，才能夠準確修正走底現(xiàn)在帶來的測量誤差，提高ADCP測驗準確性。

［1］田淳.聲學多普勒測流原理及其應用［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003:36-39.

［2］曹貫中，蔣建英，陳望琴.走航式聲學多普勒流速儀流量測驗過程控制方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2011:29-32.

［3］魏進春，黃雙喜.聲學多普勒流量測驗應用關鍵技術試驗研究［M］.北京:中國水利水電出版社，2011:71-73.

［4］尹建國，蔣佑華，陳含華.走航式聲學多普勒剖面流速儀測流應用與分析［J］.水利水文自動化，2004(03):40-42.

［5］潘春香，劉陽明，劉恒.走航式聲學多普勒流速儀在黑龍江干流流量測驗中的應用［J］.東北水利水電，2012(01):63-65.

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2014-02-10

李世強(1982-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士。