張彩鑫

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

走航式ADCP 在水文測區(qū)流量測驗中的應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用技巧與方式多樣化。在計算平均流速和流量時，要想得出更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，就要考慮不同區(qū)域的水流情況，適當(dāng)調(diào)整計算公式。通常來說，水文測區(qū)流量測驗是根據(jù)水流斷面上分布的垂線位置的側(cè)點進行計算的，當(dāng)水流斷面形成多個小斷面時，還可以針對不同的斷面分別進行測量，再取平均值，最終得出更加可靠的數(shù)據(jù)。

1 走航式ADCP 簡介

1.1 走航式ADCP 基本原理

走航式ADCP 指的是利用聲學(xué)多普勒流速剖面的原理來高效測量斷面流速的一種方式，其包括走航式ADCP 換能器、計算機應(yīng)用軟件系統(tǒng)、外接設(shè)備、傳感器等組成部分，其中外接設(shè)備包括線桿、側(cè)桿、固定桿等，這些重要的器件共同構(gòu)成了一個完整的檢測系統(tǒng)，走航式ADCP 架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 走航式ADCP 架構(gòu)

走航式ADCP 的具體工作流程如下：ADCP 換能器在經(jīng)過換能轉(zhuǎn)換之后會形成聲波脈沖，這些聲波脈沖隨著水流的運動，會使得其中的懸浮物質(zhì)產(chǎn)生多普勒平移，進而發(fā)生多普勒變化，變化產(chǎn)生應(yīng)答信號，并向外輸出有效的信息[1]。不過ADCP 主要測量的是在水流層面當(dāng)中的三維流速及其具體的流向，這些由懸浮顆粒形成的回波也可以再次反饋給ADCP 換能器和被接收器，產(chǎn)生的顆粒運動就會形成特定的多普勒平移。根據(jù)這些平移獲得聲波頻率，進而計算出相應(yīng)的頻率參數(shù)，可以獲得更加精準(zhǔn)的水流速度。在實際測量時還要考慮到船只行駛的速度，通過運算公式得到更加精確的水流流速。除此之外，也可以采用其他的傳感器接收由水波中的雜質(zhì)顆粒形成的反饋信號。

1.2 走航式ADCP 基本特點

走航式ADCP 具有動態(tài)化的特點，可以根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整測量方式。測量方式通常以巡測為主，駐測為輔。為了獲得更加精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)實際的水文情況、流速大小、地勢情況、地理氣候等因素，調(diào)整測量的方案和具體的參數(shù)[2]。

傳統(tǒng)的測量方式下，測探器容易受到河流當(dāng)中的雜物、石頭、樹木等障礙物的影響，而走航式ADCP則可以更好地克服障礙物的因素。走航式ADCP 中的測探器、傳感器可以發(fā)揮較大的正向作用，使得走航式ADCP 具備集成化的特性，可以有效躲避障礙，具備較強的穩(wěn)固性。由于走航式ADCP 利用了更加精準(zhǔn)的測算技巧和計算方式，誤差比較小，適用于大多數(shù)的水文測區(qū)流量測驗，解決了傳統(tǒng)測量方式存在的弊端，具備智能化、高效率的特點，有利于節(jié)省人力物力。同時，走航式ADCP 也具備更高的安全性能，可以有效避免一些安全隱患[3]。

2 走航式ADCP 的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 靈活性

走航式ADCP 采取的測量方法靈活多變，可以根據(jù)水文測區(qū)流域的實際情況以及船只的移動軌跡動態(tài)規(guī)劃方法和路線。相較于傳統(tǒng)方式而言，走航式ADCP 不需要采用固定的流速儀也可以隨著行船的變化進行移動，不僅可以測量船只的直線速度，還可以測量水文測區(qū)內(nèi)部船只以及其他物體的流動速度，并且能夠動態(tài)化地改變測量的時間和方式。

2.2 存儲性能強

走航式ADCP 的存儲性能比較強，其采用了先進的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的人工存儲記錄方式，這種先進的存儲方式能夠有效地節(jié)省時間，減少人力的投入，為整體的水文測區(qū)流量測驗項目減少成本。

2.3 抗干擾能力強

走航式ADCP 具備較強的抗干擾能力，除非面臨難以克服的環(huán)境災(zāi)害，在大多數(shù)情況下，走航式ADCP 都能夠在水文測區(qū)流量測驗的過程中全方位地發(fā)揮其效能，實現(xiàn)良好的測速效果。目前，多地都開始利用走航式ADCP 解決水文測區(qū)流量測驗中的各項干擾問題，實現(xiàn)更強的防汛抗旱效果，為水環(huán)境保護工程提供更精準(zhǔn)的實時流量信息[4]。

3 具體案例應(yīng)用方式

3.1 測站概況

某水文站位于反調(diào)節(jié)水庫下游約2.8 km 處，距離河口870 km2，集水面積為69.46 萬km2。該站設(shè)立于2007 年5 月，是反調(diào)節(jié)水庫的出庫站，2008 年10月水利部批復(fù)為國家基本水文站，是國家重要水文站。該站測驗河段順直段為卵石復(fù)式河床，常年比較穩(wěn)定。河道屬于卵石河床，斷面穩(wěn)定，全年長期含沙量為0。除了調(diào)水調(diào)沙期間以外，大部分時間河道流量小于2000 m3/s，斷面穩(wěn)定，含沙量為0，非常適合ADCP 流量測驗。

近年來，該水文站測驗河段多次出現(xiàn)水草茂盛期，使用流速儀進行流量測驗時，需要不斷清除流速儀上纏繞的水草，不僅延長了測流時間，影響了測驗精度，還增加了工作強度。而ADCP 可以在短時間內(nèi)精準(zhǔn)而迅速地進行測流，因此需要在水流平穩(wěn)的時候，使用ADCP 與流速儀測流，并進行比測分析，尋找該站適合使用ADCP 的條件，推廣ADCP 在該站水文測驗中的應(yīng)用。

3.2 比測方案

3.2.1 比測儀器

主要使用LS25-3 型流速儀、“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 進行測量。

（1）LS25-3 型流速儀。LS25-3 型是一種大量程的流速儀，用于河道、水電站壓力管道、溢洪道、大壩工程合攏的高速測量，以及水庫、湖泊和一般河流的中、低速測量。

（2）“瑞江”牌河流型寬帶ADCP?！叭鸾迸坪恿餍蛯拵DCP 是當(dāng)前在水文行業(yè)推廣的一種新型測流儀器，該儀器利用聲學(xué)多普勒原理測量水流速度剖面，具有測驗時間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大等優(yōu)點。

“瑞江”牌河流型寬帶ADCP 的4 個探頭可以發(fā)射不同頻率的波束信號，信號接收按波束獨立處理，并轉(zhuǎn)換成波束相對速度，在斷面水草茂盛的河段內(nèi)，由于探頭不與水草直接接觸以及聲波波束的穿透性，ADCP 流速測量受水草的影響大幅降低。

3.2.2 比測時間

比測時間為 2019 年 7—8 月、2020 年和 2021 年平水期，盡可能選擇受水草影響較小的情況下進行比測實驗。

3.2.3 取得比測資料

本次比測實驗取得31 個ADCP 實測數(shù)據(jù)和流速儀法水位-流量樣本作為試驗分析資料。

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實測資料，流速儀法水位-流量關(guān)系曲線如圖2 所示，ADCP 法水位-流量關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 流速儀法水位-流量關(guān)系曲線

圖3 ADCP 法水位-流量關(guān)系曲線

對ADCP 法和流速儀法測驗的水位-流量關(guān)系曲線進行合理性檢驗：流速儀法的水位-流量關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為4.81%，隨機不確定度為9.62%；ADCP法的水位-流量關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為1.08%，隨機不確定度為2.16%。均滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）中關(guān)于水位-流量關(guān)系定線指標(biāo)的要求[5]。

3.4 成果對比分析

3.4.1 誤差分析

參考《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）中水位-流量關(guān)系曲線定線要求：“75%以上的高水位點據(jù)與平均線的偏差不超過±5%，75%的低水位點據(jù)與平均線的偏差不超過±8%”，本文中ADCP 法與流速儀法水位-流量關(guān)系曲線定線合理。

3.4.2 誤差來源分析

產(chǎn)生誤差較大的主要原因是：在一次測流時間內(nèi)，由于受水庫調(diào)節(jié)影響，水位變化幅度較大。ADCP測驗時歷時較短，一般為20 min，受水位變化影響較小；而流速儀測驗歷時較長，一般為90 min，受水位變化影響較大，二者無法做到完全同步，從而造成測驗結(jié)果誤差較大。

經(jīng)計算分析，4000 m3/s 流量級以下、含沙量為0時，ADCP 和流速儀實測成果相關(guān)關(guān)系良好，具有一定的適用性。

4 應(yīng)用注意事項

在水文測區(qū)流量測驗過程中，走航式ADCP 應(yīng)用的注意事項大致有以下4 個方面。

（1）在利用走航式ADCP 測量流速的時候，需要提前對走航式ADCP 及其運行效率進行檢測，確保走航式ADCP 具備較強的可用性與穩(wěn)定性。在調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)后，仍然可以更精準(zhǔn)地進行測量，保證其不會出現(xiàn)參數(shù)測量不準(zhǔn)確的情況。

（2）由于走航式ADCP 屬于聲學(xué)測量儀，會受到聲波傳遞的影響，需要考慮的外界因素較多，對外界條件的要求往往會比較嚴(yán)苛。例如，最常見的干擾因素就是由于泥沙含量過高而導(dǎo)致的聲波干擾現(xiàn)象，過多的泥沙會阻礙水下?lián)Q能器獲取對應(yīng)的多普勒聲學(xué)聲波，進而導(dǎo)致無法進行接下來各項步驟的測算。所以在執(zhí)行走航式ADCP 操作之前要對相應(yīng)的參數(shù)進行更合理的測算，保證走航式ADCP 各項流程的順利進行。

（3）為了將誤差控制在更低的范圍內(nèi)，要準(zhǔn)確檢驗走航式ADCP 測驗過程中的限制因素，考慮其運行到河底的推移運動，這種運動會對測量結(jié)果的精度造成很大的影響。在對盲區(qū)的水流區(qū)域進行流速測試時，還需要安裝特定的儀器設(shè)備，采取更加精確的測量方式，一般來說在對接更加復(fù)雜的水文地段時，可以采用含有30 個以上脈沖的數(shù)據(jù)值來求取平均值，最終得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

（4）在使用走航式ADCP 時，應(yīng)具備風(fēng)險預(yù)判意識，降低安全隱患的發(fā)生概率。例如，當(dāng)處于暴雨或者其他惡劣天氣下，水文運動會受到較大的影響，發(fā)生河水上漲、風(fēng)急浪大、泥石流等情況，在水流內(nèi)部還可能會涌現(xiàn)出較多的雜物，導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞。為了保障走航式ADCP 的穩(wěn)定性與安全性，技術(shù)人員需要進一步預(yù)防各類風(fēng)險，同時根據(jù)所在地的天氣因素及時終止測驗，在條件合適的情況下再進行下一步的測量，通過測試各個位置的水文測區(qū)流量情況，找到最為穩(wěn)定的區(qū)域，避開不利因素的干擾。

5 結(jié)語

綜上所述，走航式ADCP 主要包括走航式ADCP換能器、計算機應(yīng)用軟件系統(tǒng)、傳感設(shè)備等組成部分，利用聲學(xué)多普勒流速剖面的原理來高效測量斷面流速，測量水流層面三維流速以及流向。本文通過對某水文站4000 m3/s 流量級以下、含沙量為0 時的流速儀法和ADCP 法流量測驗的對比分析，建立了兩者的相關(guān)關(guān)系，并對誤差進行分析，其結(jié)果均滿足規(guī)范要求，這表明ADCP 可以在該水文站投入使用?？傮w來說，ADCP 測驗方法快捷可靠，能夠獲取較為準(zhǔn)確的實測數(shù)據(jù)，在水文測驗技術(shù)的發(fā)展方面起到了推動作用，為防洪減災(zāi)工作提供可靠的保障。