唐衡湘

【摘要】走航式ADCP目前在國(guó)內(nèi)水文流量測(cè)試過(guò)程中較為先進(jìn)的儀器。ADCP的出現(xiàn)，不僅僅突破了流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵部分，而且還為測(cè)驗(yàn)水域的含沙量、水域深度以及流動(dòng)狀態(tài)提供了新的簡(jiǎn)潔的方式。本文就ADCP測(cè)驗(yàn)技術(shù)的基本定義及其使用的必要性結(jié)合ADCP的基本原理等對(duì)其工作原理和方式進(jìn)行了探討分析，并分析研究了其在水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目中的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】ADCP；流量測(cè)驗(yàn)；水文測(cè)驗(yàn)

走航式ADCP是目前世界上對(duì)河流流量測(cè)驗(yàn)中較為先進(jìn)的設(shè)備，它在進(jìn)行防洪減災(zāi)、堤防工程加固監(jiān)測(cè)等工程中起到了明顯的作用。走航式ADCP測(cè)量?jī)x器與傳統(tǒng)測(cè)水文流速的方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此其在我國(guó)水文行業(yè)已逐漸得到明顯的發(fā)展與應(yīng)用，由于發(fā)展時(shí)間較短，在使用過(guò)程中還存在著許多不足與缺陷，相關(guān)方面的技術(shù)理論知識(shí)匱乏，因此需要進(jìn)行多次比測(cè)試驗(yàn)已提高其使用的精度，從而積累較多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)階段的應(yīng)用狀況，我國(guó)相關(guān)技術(shù)人員還需要根據(jù)儀器的使用要求，對(duì)其進(jìn)行詳盡的了解和探索，進(jìn)而能夠掌握使用技巧，熟練的使用該儀器。

1、研究背景

水文測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，由于受潮汐和不穩(wěn)定水流的影響，導(dǎo)致流量測(cè)驗(yàn)成為一個(gè)難以解決的問(wèn)題，而流速的多變性使得傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式受測(cè)流時(shí)間限制。為解決這一難題，水文測(cè)驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行了深入全面的研究，直至二十世紀(jì)八十年代初，隨著第一臺(tái)ADCP測(cè)驗(yàn)儀的面世，使得水文測(cè)驗(yàn)中能更準(zhǔn)確的測(cè)量流速和流量而不受其他因素的影響成為可能。

我國(guó)水利部長(zhǎng)江水文局在九十年代初開(kāi)始了對(duì)走航式ADCP儀器的第一次應(yīng)用，使用儀器對(duì)長(zhǎng)江流域的感潮河段的流量進(jìn)行了初次測(cè)驗(yàn)，這是我國(guó)國(guó)內(nèi)第一次使用ADCP儀器及首次進(jìn)行內(nèi)河的流量流速測(cè)驗(yàn)。

2、走航式ADCP

2.1 走航式ADCP的基本概念。ADCP是指聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展興起的一種流量測(cè)驗(yàn)儀器。ADCP測(cè)流儀能夠直接測(cè)驗(yàn)出水域斷面的流速剖面，且具有能夠不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)周期短、測(cè)驗(yàn)范圍廣等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于海洋、河口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)流速流量的測(cè)驗(yàn)等。

2.2 走航式ADCP的作用原理。ADCP是利用多普勒效應(yīng)的原理來(lái)進(jìn)行流量和流速的測(cè)驗(yàn)。ADCP突破了傳統(tǒng)機(jī)械以轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ)的傳感流速儀的局限，運(yùn)用聲波換能器作傳感器來(lái)發(fā)射聲脈沖波，然后聲脈沖波通過(guò)水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等物體的反射和散射作用，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)由多普勒頻移而測(cè)出流速。

ADCP流量測(cè)驗(yàn)原理與傳統(tǒng)的人工船測(cè)，橋測(cè)，涉水測(cè)量等方法的基本原理相似，都是基于測(cè)流斷面在其上設(shè)置多天垂線，在每條垂線處測(cè)量水深并測(cè)量水的流速?gòu)亩C合得到水的平均流速，但不同的是ADCP所測(cè)的垂線可以很多，每條垂線上的測(cè)驗(yàn)點(diǎn)也很多。

2.3 數(shù)據(jù)采集。ADCP儀器采用3個(gè)波束測(cè)得的多普勒頻移來(lái)進(jìn)行空間速度的計(jì)算。其采樣的結(jié)果集合了若干個(gè)子樣，當(dāng)聲脈沖波在水域中傳播時(shí)，由于水中存在沙粒、微生物等，會(huì)將聲波反射回去形成一系列連續(xù)不斷的低頻回波，從而被ADCP儀器接收，而ADCP中的換能器的聲束發(fā)射裝置裝有接收器和計(jì)時(shí)裝置，因此能對(duì)回波進(jìn)行計(jì)算和處理，最終形成所需要的數(shù)據(jù)。ADCP會(huì)將不同水層的測(cè)驗(yàn)信息存儲(chǔ)在緩存系統(tǒng)中，等到儀器將所有采樣工作完成后，再將所有的測(cè)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，最終得到一次采樣集合中不同水層的流速信息，然后對(duì)該范圍所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，從而計(jì)算出豎直方向水深范圍單元中心的流速大小和方向。

3、走航式ADCP在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

走航式ADCP儀器的使用雖然在一定程度上提高了水域測(cè)量測(cè)速的工作效率，增強(qiáng)了水文測(cè)驗(yàn)?zāi)芰?，但在使用過(guò)程中還存在著一些不足：在含沙量較高的水域，聲波換能器的回波強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致水底的跟蹤與測(cè)量水的深度的操作失敗，致使測(cè)驗(yàn)水文的流量流速數(shù)據(jù)不準(zhǔn)；受河床質(zhì)地及船只材料的影響，在進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，不同的河床水域中所含的溶質(zhì)不同，而聲波換能器所發(fā)出的聲脈沖波對(duì)不同物質(zhì)的反射和散射程度不同，這就容易導(dǎo)致?lián)Q能器收集的數(shù)據(jù)有所差別，最終影響測(cè)驗(yàn)的結(jié)果；ADCP在高含沙量的水域中所采用的“零盲區(qū)”技術(shù)使用的是低頻系統(tǒng)應(yīng)用寬帶信號(hào)處理專利技術(shù)雖然具有較高的穿透力，并且分辨率較好，但其所使用的指數(shù)流速分布公式對(duì)測(cè)試流速精度的影響還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)；ADCP的“水跟蹤”技術(shù)在河底流沙量較多時(shí)，會(huì)失去作用，導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)結(jié)果失真。

4、走航式ADCP的優(yōu)點(diǎn)

4.1 測(cè)量時(shí)采用動(dòng)態(tài)的方法。相較于傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量?jī)x器固定而所采用的靜態(tài)方法，ADCP儀器在測(cè)量過(guò)程中所采用的是動(dòng)態(tài)的方式，其在測(cè)驗(yàn)流速和流量時(shí)是隨著測(cè)量船的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行水域的水文測(cè)驗(yàn)。

4.2 使用過(guò)程中耗費(fèi)時(shí)間少。傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方式只是在一個(gè)河流斷面上設(shè)置少量的測(cè)驗(yàn)垂線，測(cè)試少量的垂點(diǎn)，而ADCP儀器所使用的方法則是隨著測(cè)量船運(yùn)行的過(guò)程中同時(shí)設(shè)立多條垂線并進(jìn)行不同垂點(diǎn)的測(cè)驗(yàn)，隨著船只的航行，垂線的位置不斷改變，測(cè)驗(yàn)的垂點(diǎn)也隨之變化，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)測(cè)驗(yàn)到不同深度不同范圍的采樣值。

5、ADCP測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

隨著我國(guó)水文工程的發(fā)展，ADCP測(cè)速技術(shù)也蓬勃發(fā)展，技術(shù)人員對(duì)ADCP技術(shù)的深入研究與探索實(shí)踐使該技術(shù)突破了僅對(duì)流速和流量測(cè)驗(yàn)的局限，從而越來(lái)越多的被應(yīng)用于對(duì)泥沙含量、流動(dòng)狀態(tài)以及水深等方面的測(cè)量。

6、結(jié)語(yǔ)

走航式ADCP作為一種先進(jìn)的流量流速測(cè)驗(yàn)技術(shù)，因其具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)驗(yàn)周期短、工作效率高等的優(yōu)良特性而受到各方技術(shù)人員的認(rèn)可并大力受到推廣使用，對(duì)促進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)的發(fā)展起到積極的影響作用。但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，水文測(cè)驗(yàn)方面有關(guān)的理論知識(shí)不斷完善和改進(jìn)，ADCP技術(shù)在使用過(guò)程中仍然存在著不足和缺陷，因此，需要科技人員綜合利用理論知識(shí)，不斷進(jìn)行創(chuàng)新與創(chuàng)造，在技術(shù)上尋求新的突破，以對(duì)其進(jìn)行更進(jìn)一步的完善與改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雨，袁德忠，周波.ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].人民長(zhǎng)江，2013（S2）：35-38.

[2]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.

[3]鄭慶濤，林衛(wèi)文，李上達(dá).走航式ADCP技術(shù)在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用探討[J].人民珠江，2007（01）：77-80.