劉敬偉,謝運(yùn)山,劉禮慶,陳　寧,范玉良

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局，江蘇省鎮(zhèn)江市　212028)

?

走航式ADCP和傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)的比較分析

劉敬偉,謝運(yùn)山,劉禮慶,陳寧,范玉良

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局，江蘇省鎮(zhèn)江市212028)

摘要：在當(dāng)前的水文測(cè)驗(yàn)工作中，應(yīng)用走航式ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)已經(jīng)較為常見(jiàn)，文章主要對(duì)比分析了走航式ADCP與傳統(tǒng)的流速儀測(cè)驗(yàn)方法、原理以及優(yōu)劣勢(shì)。并初略介紹了走航式ADCP的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：走航式ADCP；流量；測(cè)驗(yàn)

0前言

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)全稱(chēng)為聲學(xué)多普勒流速剖面儀[1]。走航式ADCP作為一個(gè)成熟的流量測(cè)驗(yàn)新儀器，在當(dāng)前的水文測(cè)驗(yàn)工作中得到了相當(dāng)多的應(yīng)用。特別是在突發(fā)性水事件、水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)、邊界水量巡測(cè)、流量測(cè)驗(yàn)2套方案、固定式ADCP流量比測(cè)、各種江河湖庫(kù)水文測(cè)驗(yàn)以及常規(guī)水文測(cè)驗(yàn)等多種場(chǎng)合都可以應(yīng)用走航式ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，得到流量結(jié)果。與傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法相比，走航式ADCP具有速度快、精度高、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小，可以根據(jù)需要隨時(shí)測(cè)量河床斷面、河流流速、流量、流向等要素，具有較廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1走航式ADCP與傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方法的比較

傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)的方法主要是采用流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，這種方法首先需要進(jìn)行大斷面的測(cè)量，根據(jù)斷面情況進(jìn)行測(cè)深垂線、測(cè)速垂線的布設(shè)，再根據(jù)測(cè)速垂線的水深情況確定幾點(diǎn)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，最后進(jìn)行流量成果計(jì)算，并依據(jù)資料整編規(guī)范和年鑒刊印規(guī)范進(jìn)行小數(shù)位的取舍等等，過(guò)程較為繁瑣，計(jì)算較為復(fù)雜。

走航式ADCP則相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定是橋測(cè)還是遙控船測(cè)量或者纜道測(cè)量，橋測(cè)一般是利用河道上的已有橋梁，一人站在河岸的一邊拉著繩索，另一人利用繩索拉著安裝有ADCP小船沿著橋梁勻速向?qū)Π蹲摺?這邊拉著小船向?qū)Π蹲?，那邊就一邊拉著繩索一邊向?qū)Π斗爬K子，直到安裝有ADCP的小船到達(dá)對(duì)岸。遙控船式走航式ADCP則直接用遙控器控制放置ADCP儀器的遙控船，進(jìn)行流量測(cè)量。纜道測(cè)量則是將安裝有ADCP儀器的三體船懸掛在纜道循環(huán)索上，利用測(cè)流纜道將船來(lái)回測(cè)流。這些方法均不需要事先進(jìn)行大斷面的測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中能在外接電腦屏幕上直觀地看見(jiàn)流速大小、流向、流量、水深等數(shù)據(jù)，最終可以直接生成成果表。

而在江河湖庫(kù)的水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目中采用流速儀進(jìn)行船測(cè)流速流向時(shí)，水文絞車(chē)則較為笨重，且測(cè)量過(guò)程中也要注意安全問(wèn)題，在水深較深、流速較大的情況下勞動(dòng)強(qiáng)度也大，且需注意水深的傾角改正問(wèn)題。但若采用走航式ADCP進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)則既避免了笨重的絞車(chē)，也大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，成果精度也高。

同時(shí)常規(guī)水文測(cè)驗(yàn)方法一般采用水文纜道、橋測(cè)、船測(cè)等方式[3]，在突發(fā)水事件或者巡測(cè)時(shí)沒(méi)有纜道設(shè)施、沒(méi)有橋梁、沒(méi)有船時(shí)，流速儀法具有較大的局限性，且流速儀法流量測(cè)驗(yàn)斷面須為垂直于河道的直線斷面，若不垂直，則需要進(jìn)行流量改正。而走航式ADCP的優(yōu)勢(shì)則非常明顯，遙控船作為走航式ADCP的標(biāo)配，只要現(xiàn)場(chǎng)不影響遙控船的開(kāi)行都可以進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。測(cè)量地點(diǎn)不受約束，測(cè)量路線也不受約束，非常自由。

2走航式ADCP與傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)原理的比較

傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)的原理為流速面積法，即流量=斷面平均流速×過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。采用近似法推求斷面流量，將各過(guò)水?dāng)嗝嬗脺y(cè)深垂線和測(cè)速垂線分成若干部分，通過(guò)計(jì)算各部分的面積乘以斷面平均流速得到全斷面的流量。所以常規(guī)的流速儀法流量測(cè)驗(yàn)工作一般包括4個(gè)方面的工作，即大斷面的測(cè)量、垂線的布置、流速的測(cè)量、流量的計(jì)算等。受限于測(cè)驗(yàn)原理，測(cè)驗(yàn)方法中也就要求借助于水文纜道、河道上的橋梁或者過(guò)河索及船等外在載體。

而走航式ADCP作為新型的測(cè)驗(yàn)方法，其基本理論也是流速面積法[4]，只不過(guò)分得更細(xì)更精確。ADCP利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)流，一般安裝的4個(gè)或者3個(gè)換能器并具有一定的角度。換能器既是發(fā)射器也是接收器，發(fā)射出一定頻率的脈沖，該脈沖碰到水體中的懸浮物質(zhì)后產(chǎn)生后向散射回波信號(hào)，該信號(hào)為ADCP所接收[5]。通過(guò)跟蹤測(cè)得的水中顆粒物的運(yùn)行速度扣除船的速度(矢量差)后即得到水流的流速。測(cè)船速度主要采用底跟蹤的方法測(cè)得[6]。在測(cè)量過(guò)程中由于儀器設(shè)備的局限性，其存在4個(gè)盲區(qū)，即表層(換能器上部水域)、底層、左水邊、右水邊等。這4個(gè)小區(qū)域的流速計(jì)算方法一般通過(guò)實(shí)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)外延估算得到[7]。

3走航式ADCP與傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)優(yōu)劣勢(shì)的比較

3.1數(shù)據(jù)計(jì)算的優(yōu)劣比較

傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)也在與時(shí)俱進(jìn)，數(shù)據(jù)處理方法也在更新，如江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局研究的流量實(shí)時(shí)計(jì)算程序就在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用[8]。該程序可以根據(jù)測(cè)時(shí)水位和實(shí)測(cè)大斷面成果自動(dòng)計(jì)算左右水邊與測(cè)深測(cè)速垂線的起點(diǎn)距，并根據(jù)河底高程計(jì)算出該測(cè)速線是一點(diǎn)法還是兩點(diǎn)法，各點(diǎn)法水深是多少。將測(cè)速數(shù)據(jù)輸入到程序界面上，可以直接計(jì)算出流量等結(jié)果，并可生成常測(cè)法或者簡(jiǎn)測(cè)法成果表。程序界面見(jiàn)圖1。

走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)程序操作界面較簡(jiǎn)單，只需將相關(guān)參數(shù)設(shè)置后即可進(jìn)行[9]。

在數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理方面，傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果需要按照資料整編程序的格式進(jìn)行手工錄入，改進(jìn)后的流量實(shí)時(shí)計(jì)算處理程序可以按照資料整編數(shù)據(jù)格式直接生成數(shù)據(jù)文件。走航式ADCP完成流量測(cè)驗(yàn)后生成的成果文件不能直接用于資料整編程序，也需要進(jìn)一步處理后才能應(yīng)用于資料整編，這一點(diǎn)鎮(zhèn)江分局的技術(shù)人員已經(jīng)解決，通過(guò)編程將走航式ADCP測(cè)驗(yàn)結(jié)果與遙測(cè)水位、實(shí)測(cè)大斷面成果進(jìn)行很好地結(jié)合，生成水量合成成果和資料整編成果數(shù)據(jù)文件等[10]。程序界面見(jiàn)圖2。

流速流向的數(shù)據(jù)顯示方面，傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)只能依賴(lài)于流速流向儀進(jìn)行流向的測(cè)量并利用相關(guān)軟件如CAD等進(jìn)行流向數(shù)據(jù)的圖形化顯示[11]，而走航式ADCP配套的軟件程序則能實(shí)時(shí)進(jìn)行流向的圖形顯示。兩者一是需要后處理，一是實(shí)時(shí)顯示。先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)科技(走航式ADCP)較之傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)有著較大的優(yōu)越性。

3.2測(cè)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)劣比較

(1) 水體的含沙量影響

通常認(rèn)為常規(guī)的流速儀法不受泥沙等影響，但是走航式ADCP測(cè)驗(yàn)則與含沙量有一定的影響，特別是儀器型號(hào)的選擇,如ADCP的系統(tǒng)頻率的高低、寬帶和窄帶的選擇等等與含沙量有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，含沙量較高會(huì)影響底跟蹤和水深測(cè)量的精度，甚至?xí)4,12]。因此在含沙量較高的河流上一般采用頻率較低的ADCP。在ADCP頻率較低的情況下，對(duì)于水深較淺的河流，寬帶又比窄帶有優(yōu)勢(shì)。

圖1　流量測(cè)量及計(jì)算程序界面圖

圖2　走航式ADCP數(shù)據(jù)處理程序界面圖

(2) 水深的影響

傳統(tǒng)的流速儀測(cè)量水深受流速儀轉(zhuǎn)子直徑的影響和流速儀懸吊裝置的影響，經(jīng)研究可以適用于水深大于0.1 m以上范圍[13]，一般低于0.3 m就不能測(cè)量了，ADCP一般最小水深為0.3～0.5 m。

(3) 測(cè)驗(yàn)條件

前面已經(jīng)提過(guò)，走航式ADCP一般標(biāo)配測(cè)量船，或者遙控船，不依賴(lài)于外界的水文纜道、橋梁等載體，只要流速合適都可以很方便地進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。適用于野外巡測(cè)等工作環(huán)境。而傳統(tǒng)的流速儀需要依賴(lài)于外界的載體才行，比較適用于有固定工作場(chǎng)所的地點(diǎn)，如船只、橋梁、懸索等。

4走航式ADCP在太湖湖西區(qū)諫壁抽水站水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

鑒于走航式ADCP眾多優(yōu)

點(diǎn)，其在各種水文測(cè)驗(yàn)中都得到了應(yīng)用，尤其是巡測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、測(cè)站備用測(cè)流方案等方面。在鎮(zhèn)江水文分局，走航式ADCP普遍應(yīng)用于邊界水量巡測(cè)、水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)、突發(fā)性水污染事件的水量監(jiān)測(cè)、突發(fā)大洪水水量監(jiān)測(cè)、測(cè)站備用測(cè)洪方案應(yīng)急預(yù)案的首選或者備選流量測(cè)驗(yàn)、長(zhǎng)江水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目的流量測(cè)驗(yàn)等。

2014年5月起諫壁節(jié)制閘拆除重建，蘇南運(yùn)河的引排水從諫壁抽水站進(jìn)出。正常情況下均由諫壁節(jié)制閘負(fù)責(zé)從長(zhǎng)江引排水，諫壁抽水站主要承擔(dān)抽排功能，平時(shí)流量測(cè)驗(yàn)工作不多。作為太湖湖西區(qū)和沿江重要口門(mén)，諫壁節(jié)制閘拆除重建后，諫壁抽水站從2014年5月開(kāi)始發(fā)揮了重要作用。剛開(kāi)始進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，采用流速儀法進(jìn)行斷面流量測(cè)驗(yàn)。但隨著引水量加大和引水次數(shù)的增多，流速儀法流量測(cè)驗(yàn)在時(shí)間上花費(fèi)太多，工作強(qiáng)度較大，人較辛苦，便采用走航式ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。經(jīng)對(duì)6月份60測(cè)次走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)成果和測(cè)驗(yàn)情況進(jìn)行分析，走航式ADCP很實(shí)用，精度高、速度快、成果可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度小。一般情況下流速儀法流量測(cè)驗(yàn)一次需用時(shí)30 min左右，而走航式ADCP測(cè)2個(gè)測(cè)回用時(shí)6～8 min。在具體的流量測(cè)驗(yàn)中，每次2測(cè)回，每半測(cè)回流量值與平均值的偏差不能大于5%，對(duì)于大于5%的采取增加1個(gè)測(cè)回，計(jì)算實(shí)測(cè)流量值最接近的連續(xù)2個(gè)測(cè)回的平均值[14]。在流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，走航式ADCP顯示出了較大的優(yōu)勢(shì)，圖3即為走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)成果表格。

圖3　走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)表圖

5結(jié)語(yǔ)

走航式ADCP具有靈活性、測(cè)流歷時(shí)短、勞動(dòng)強(qiáng)度小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在巡測(cè)和定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)水文監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。同時(shí)眾多研究走航式ADCP與流速儀法流量測(cè)驗(yàn)分析的文章也表明走航式ADCP具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]相文璽,楊錦坤,趙昕. ADCP測(cè)量數(shù)據(jù)深度值的正確解析[J].海洋通報(bào),2012(01):94-96.

[2]賈春澤,左林遠(yuǎn),耿倩倩.ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].山東水利,2010(07):18-19.

[3]高延雄,薛冰.淺析ADCP測(cè)流技術(shù)及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2014(04):58-60.

[4]宋政峰,席占平.走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)主要誤差來(lái)源及其控制[J].水文,2016(01):58-65.

[5]張春海,董曉冰.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及應(yīng)用研究[J].吉林水利,2013(11):17-19.

[6]王憲寶,柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測(cè)驗(yàn)對(duì)比分析[J].吉林水利,2010(06):81-83.

[7]何華權(quán).聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)試驗(yàn)觀測(cè)及應(yīng)用初探[J].廣西水利水電,2013(04):85-88.

[8]謝運(yùn)山.利用VFP編程實(shí)現(xiàn)流速儀法流量計(jì)算[J].吉林水利,2010(01):21-24.

[9]劉學(xué)勇.走航式ADCP使用方法和注意事項(xiàng)[J].河南水利與南水北調(diào),2015(19):54-55.

[10]劉禮慶,謝運(yùn)山.基于走航式ADCP流量成果進(jìn)行水量合成計(jì)算[J].人民長(zhǎng)江,2015(S1):61-63.

[11]趙德友,王萍,謝運(yùn)山.VFP和CAD技術(shù)在生成流速流向圖中的應(yīng)用[J].西北水電,2015(01):99-102.

[12]周正道.走航式ADCP在流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].甘肅水利水電技術(shù),2012(12):1-3.

[13]李長(zhǎng)江.流速儀法測(cè)流最小水深計(jì)算公式推導(dǎo)[J].水文，2010(02):76-79.

[14]中華人民共和國(guó)水利部.SL 337-2006 聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

Comparison and Analysis of vessel-mounted ADCP and Conventional Hydrological Measurement

LIU Jingwei, XIE Yunshan, LIU Liqing, CHEN Ning, FAN Yuliang

(Zhenjiang Branch, Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Bureau, Zhenjiang, Jiangsu212028，China)

Abstract:The vessel-mounted ADCP applied for discharge measurement is common in hydrological measurement currently. In the paper, method, principle and advantage & disadvantage of the vessel-mounted ADCP and the conventional current meter are compared and analyzed. The practical application of the vessel-mounted ADCP is introduced primarily. Key words: vessel-mounted ADCP; discharge; measurement

文章編號(hào)：1006—2610(2016)03—0009—04

收稿日期：2015-09-29

作者簡(jiǎn)介：劉敬偉(1981- )，男，江蘇省句容市人，工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)、資料整編等方面的研究工作.

通訊作者：謝運(yùn)山(1974- )，男，江蘇省高郵市人，高級(jí)工程師，主要從事水文站網(wǎng)、基本建設(shè)及程序設(shè)計(jì)等方面的研究工作.

中圖分類(lèi)號(hào)：P335

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.002