于 澤

（松遼委水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江 撫遠(yuǎn) 156500）

0 引言

水文站流量測驗(yàn)是水文工作者的重要任務(wù)之一，使用聲學(xué)多普勒測流剖面儀測河流流量是一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，在測流期間應(yīng)用效益極高。聲學(xué)多普勒剖面流速儀ADCP（Acoustic Dopplcr Current profilers的簡稱），它是利用聲學(xué)多普勒原理研制的，河流流速、流量實(shí)時(shí)測量設(shè)備。它利用超聲波多普勒頻移的物理原理，以很高的分辨率測量水流的瞬時(shí)流速，同時(shí)測量河流深度或河寬度，從而直接計(jì)算出河道的斷面流量。

1 工作原理

從原理上講，ADCP利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)進(jìn)行測流，通過利用換能器發(fā)射一定頻率的聲波，該聲波在接觸到水體中懸浮顆粒物質(zhì)散射回來的聲波信號，懸浮顆粒物質(zhì)隨水體流速影響而飄移，從而產(chǎn)生多普勒頻移，由換能器發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差測算水流速度。走航式ADCP進(jìn)行走航流速剖面測量，這時(shí)測得的“速度”是船速和水流速度的矢量和，去掉船速得到的才是真正的流速。因此采用“底跟蹤”技術(shù)。ADCP底跟蹤技術(shù)是通過信號的接收和處理和的回波信號，跟蹤測船相對于河底的運(yùn)動速度（即船速），從而可知流速實(shí)測值。

ADCP裝有4個換能器，每個換能器都與聲學(xué)多普勒剖面流速儀的軸線構(gòu)成一定的夾角，所測到的水流速實(shí)際上是水流沿其聲束坐標(biāo)方向的速度，需要借助聲學(xué)多普勒剖面流速儀上的羅盤和傾斜儀，才能把相對于其坐標(biāo)系上的三維流速轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)下的三維流速。每個換能器都具有發(fā)射和接收功能，換能器發(fā)射一個聲波，而后一直等待接收該聲波被水中的懸浮顆粒物質(zhì)散射回來的聲波。假定顆粒物的運(yùn)動速度與水流速度相同，當(dāng)顆粒物的運(yùn)動方向是接近換能器時(shí)，此時(shí)換能器收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高，反之當(dāng)顆粒物的運(yùn)動方向是背離換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射頻率低，發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差（即聲學(xué)多普勒頻移）由式（1）計(jì)算：

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移；F為發(fā)射波頻率；V為顆粒物沿聲束方向的移動速度（即沿聲束方向的水流速度）；C為聲波在水中的傳播速度。

與傳統(tǒng)流速儀相比，ADCP可以測量其距離一定范圍內(nèi)的多點(diǎn)流速，則一臺ADCP可以替代多臺傳統(tǒng)流速儀進(jìn)行同時(shí)工作。

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 撫遠(yuǎn)水文站概況

撫遠(yuǎn)水文站位于撫遠(yuǎn)縣境內(nèi)，撫遠(yuǎn)縣地處黑龍江、烏蘇里江交匯的三角地帶。東、北兩面與俄羅斯隔黑龍江、烏蘇里江相望,南鄰饒河，西接同江。

2.2 走航式ADCP的應(yīng)用

傳統(tǒng)的流速儀測流量的方法是在測流斷面上布設(shè)多條垂線，在每條垂線處測得水深，從而獲得斷面面積，再用流速儀測得各點(diǎn)流速，從而得到垂線平均流速。由于撫遠(yuǎn)站江面較寬，流量測驗(yàn)期間ADCP采用走航式有線連接模式進(jìn)行流量測驗(yàn)，將ADCP儀器的水下?lián)Q能器垂直固定在測船上。當(dāng)測船從測流斷面某岸航行到彼岸時(shí)，即可采集到計(jì)算流量所需的全部數(shù)據(jù)，包括河流深度和寬度、實(shí)測流量、水流速度和儀器在河流中的水平位置，該位置是通過使用底跟蹤技術(shù)對河底的速度測量算出的。它的突出特點(diǎn)是能測出垂直于航線的流速分量：流量的測量結(jié)果不受選用的航線影響，可以選取垂直航線，斜航線。因此降低了人工駕駛測船航跡產(chǎn)生的誤差，從而大大方便了流量測驗(yàn)作業(yè)。

2.3 測船性能及儀器設(shè)備參數(shù)設(shè)置說明

撫遠(yuǎn)水文站洪水期間流量測驗(yàn)的測船采用鋁制，4.5 m（長）×1.5 m（寬）的沖鋒舟，機(jī)器采用YAMAHA48，吃水深度0.30 m，行駛速度穩(wěn)定，便于測流作業(yè)。儀器使用ADCP一套，儀器是美國RD Instruments公司生產(chǎn)的走航式聲學(xué)多普勒剖面儀。流量測驗(yàn)期間采用有線連接模式、類型頻率為瑞江600 kHz，ADCP的換能器，入水深度為0.45 m適宜。當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)候，ADCP數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)丟底現(xiàn)象，使測驗(yàn)結(jié)果數(shù)值準(zhǔn)確有效。在短期測驗(yàn)中，一般選取WinRiver缺省的系數(shù)，或規(guī)范規(guī)定的系數(shù)，但是當(dāng)長期在一個固定斷面上測流，宜與流速儀測驗(yàn)結(jié)果建立邊部流量相關(guān)關(guān)系，確定該斷面的邊部流量系數(shù)。撫遠(yuǎn)水文站通過對比分析求得左右岸邊流量系數(shù)約為0.70。底、頂部流量估算方法：冪函數(shù)（0.1667），岸邊數(shù)據(jù)組10，采用底跟蹤模式。測船上裝載筆記本，蓄電池，電子測距儀等。流量穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行2個測回?cái)嗝媪髁繙y驗(yàn)，取均值作為實(shí)測流量值。流量測驗(yàn)作業(yè)嚴(yán)格按照《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行。

2.4 成果資料

在此次撫遠(yuǎn)縣遭受百年一遇的洪水期間，使用ADCP進(jìn)行了多次流量測驗(yàn)工作，得出撫遠(yuǎn)水文站在洪水期測流斷面最大寬度高達(dá)1800 m，最大水深超過19 m，此次洪水期間共完成測流得到有效數(shù)據(jù)40余次，通過數(shù)據(jù)整理獲得了高水位期撫遠(yuǎn)站大斷面圖、水位流量關(guān)系曲線圖，以及對洪水的傳播分析等。

3 結(jié)語

聲學(xué)多普勒剖面流速儀目前廣泛應(yīng)用在流量測驗(yàn)中。在洪水期利用ADCP替代傳統(tǒng)的流速儀，既提高了工作效率，又提供及時(shí)有效數(shù)據(jù)，對洪水期分析洪水傳播提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，為應(yīng)對防洪抗災(zāi)工作提供有利條件。此次洪水期間撫遠(yuǎn)江段使用ADCP進(jìn)行全江的流量測驗(yàn)，得出的數(shù)據(jù)不但填補(bǔ)了多年來無全江斷面流量數(shù)據(jù)的空白，也為撫遠(yuǎn)水文站的水文工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]林輝勇.聲學(xué)多普勒剖面流速儀在河流水文測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國水利，2003（18）.

[2]藍(lán)標(biāo).曲娟聲學(xué)多普勒剖面流速儀ADCP及其在水文測流中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器 2011，28（4）.

[3]SL337-2006，聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].