黃 煒，張晨旭

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210013）

1 概 述

流量是水利規(guī)劃設(shè)計(jì)、防汛調(diào)度、水資源管理等工作的重要基礎(chǔ)資料。流量獲取按測(cè)驗(yàn)方式可分為以纜道流速儀、橋測(cè)、走航式ADCP為代表的人工測(cè)驗(yàn)方法，以定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒剖面流速儀（定點(diǎn)式ADCP）為代表的自動(dòng)測(cè)流方法［1-2］。隨著水文現(xiàn)代化和測(cè)驗(yàn)方式改革進(jìn)程的推進(jìn)，自動(dòng)流量監(jiān)測(cè)已成為實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。定點(diǎn)式ADCP的應(yīng)用可有效提高測(cè)流效益，特別是在水位流量關(guān)系復(fù)雜的測(cè)流斷面，采用定點(diǎn)式ADCP 測(cè)流不僅可以進(jìn)行連續(xù)的測(cè)流，而且可大幅減少測(cè)驗(yàn)人員投入，并降低運(yùn)行成本。定點(diǎn)式ADCP 作為一種實(shí)時(shí)在線的自動(dòng)測(cè)流設(shè)備，其設(shè)備運(yùn)行狀況直接決定了測(cè)驗(yàn)精度、測(cè)驗(yàn)穩(wěn)定性以及測(cè)驗(yàn)長(zhǎng)效性。

目前，相關(guān)研究主要關(guān)注于ADCP 設(shè)備的適用性、比測(cè)率定［3-4］、流速分布［5］等方面。筆者結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)定點(diǎn)式ADCP 自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)運(yùn)維維護(hù)及常見的故障分析和解決辦法進(jìn)行分析，為設(shè)備的推廣應(yīng)用提供借鑒。

2 定點(diǎn)式ADCP系統(tǒng)組成

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水流速度的儀器，即通過ADCP 換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物（假定水體中顆粒物與水體流速相同）散射回來的聲波，經(jīng)過換算測(cè)得斷面流速，進(jìn)而根據(jù)斷面面積可算得流量。定點(diǎn)式ADCP 測(cè)流系統(tǒng)一般由ADCP 設(shè)備、輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及軟件系統(tǒng)共同組成，包括ADCP 換能器及設(shè)備安裝平臺(tái)等。

目前應(yīng)用的定點(diǎn)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)中，ADCP換能器以RDI 和Linkquest 設(shè)備為主，設(shè)備安裝分橫向式安裝和垂向式安裝2 種。其中，橫向式安裝是將換能器安裝在測(cè)驗(yàn)河段岸邊，以水平方式向河段橫斷面發(fā)射超聲波，測(cè)得某一水層的流速分布；垂向式安裝是將1個(gè)或數(shù)個(gè)換能器安裝在測(cè)驗(yàn)河段河底基座或錨定的水面浮標(biāo)上，向水面或河底發(fā)射聲波，測(cè)得1 根或數(shù)根垂線流速分布。輔助設(shè)備包括水位計(jì)、供電系統(tǒng)等，水位計(jì)一般采用浮子或壓力式水位計(jì)，供電系統(tǒng)采用太陽能供電，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集控制及傳輸設(shè)備（RTU、DTU）等。軟件系統(tǒng)包括設(shè)備設(shè)置軟件及數(shù)據(jù)處理軟件等，具備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳、查詢備份、異常預(yù)警、接受指令、數(shù)據(jù)處理以及流量計(jì)算等功能。

江蘇省定點(diǎn)式ADCP 測(cè)流系統(tǒng)采用測(cè)站、省中心的運(yùn)行模式，測(cè)站設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)按照《江蘇省水文自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》，通過GPRS VPDN（主信道）或CDMA VPDN（備份信道）傳輸?shù)椒种行幕蚴≈行牡乃淖詣?dòng)測(cè)報(bào)平臺(tái)，分中心通過省中心進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)查詢和應(yīng)用。

3 定點(diǎn)式ADCP設(shè)備維護(hù)要點(diǎn)

對(duì)定點(diǎn)式ADCP 系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，主要包括換能器檢查與維護(hù)，設(shè)備安裝平臺(tái)檢查維護(hù)，電源、通訊等輔助設(shè)備的檢查維護(hù)，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及采集軟件維護(hù)等。

3.1 換能器檢查與維護(hù)

換能器是ADCP中實(shí)現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)化的主要設(shè)備。一般定點(diǎn)式ADCP 具備4~9 個(gè)換能器，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器，通過感應(yīng)水體中的聲波能量反射情況來推算流速。因此，換能器運(yùn)行狀態(tài)直接決定了斷面流速數(shù)據(jù)測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，特別是換能器表面的干凈與否，直接決定了回波強(qiáng)度的好壞。ADCP 換能器檢查維護(hù)步驟如下。

（1）標(biāo)記好現(xiàn)有ADCP 換能器安裝位置，將ADCP 換能器升出水面并對(duì)表面附著物進(jìn)行清潔，確保ADCP換能器表面清潔，無污泥、雜草等附著物等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)探頭表面有明顯裂痕時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)是否影響測(cè)驗(yàn)精度。

（2）清潔完畢后，將ADCP換能器放至原先安裝高程，確保換能器安裝高程保持在初始值±2 cm 以內(nèi)。通過三維姿態(tài)等數(shù)據(jù)校核換能器安裝位置，保障ADCP安裝三維角度變化≤1°。

（3）通過軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽檢，確保指標(biāo)均通過，抽檢聲波信號(hào)質(zhì)量、數(shù)據(jù)成果質(zhì)量應(yīng)達(dá)到優(yōu)良級(jí)。將檢查后的測(cè)流數(shù)據(jù)和檢查前數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，確認(rèn)數(shù)據(jù)滿足使用要求。

在運(yùn)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)ADCP 成果數(shù)據(jù)流速異?；蛘唿c(diǎn)流速的流速分布不合理，則需要對(duì)ADCP 進(jìn)行檢查。最直接的檢查方法就是查看ADCP 的信號(hào)強(qiáng)度，通過信號(hào)強(qiáng)度衰減情況來判斷波速測(cè)量路徑上的異常。由于聲波在水中懸浮粒子的摩擦和反射，會(huì)造成信號(hào)衰減，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)衰減是平緩的或平滑下降，如果信號(hào)強(qiáng)度有突跳的反射或者劇烈的衰減，就可以認(rèn)為聲波路線上有異常障礙物在影響測(cè)流，并且根據(jù)回波強(qiáng)度異常增強(qiáng)位置，可以大致定位遮擋位置［6］。可通過ADCP 換能器波束傳播圖，區(qū)分波束傳播正常或波束傳播受斷面影響兩種情況。若波束傳播信號(hào)強(qiáng)度平滑衰減，可以判斷ADCP 換能器運(yùn)行正常，并且河道斷面波速方向上無障礙阻隔。若有較小的反射信號(hào)，一般可能是水中懸浮物所影響，可通過查看多組信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較。若此處反射可消除，即該處的影響是臨時(shí)的，可認(rèn)為其影響不大；若有較大的反射信號(hào)，一般認(rèn)為障礙物或者信號(hào)對(duì)水面造成了強(qiáng)反射信號(hào)，可在測(cè)驗(yàn)斷面現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行再次檢查確認(rèn)。

3.2 設(shè)備安裝平臺(tái)檢查維護(hù)

定點(diǎn)式ADCP 有橫向（H-ADCP）和垂向（VADCP）兩種安裝方式，安裝支架的穩(wěn)定性決定了ADCP測(cè)驗(yàn)的質(zhì)量，由于都是涉水安裝和運(yùn)行，維護(hù)不及時(shí)容易造成設(shè)備損壞、測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等問題。ADCP 主機(jī)姿態(tài)要保持同一性，各測(cè)次才能保持測(cè)到同一地點(diǎn)（相同起點(diǎn)距）的水流速度，也是控制單斷流速率定精度最重要的基礎(chǔ)。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于H-ADCP 主機(jī)安裝姿態(tài)應(yīng)符合的要求包括：將儀器水平安裝，與河流主流線或者中心線平行，并保持儀器姿態(tài)固定，縱橫角度誤差應(yīng)控制在±1°之內(nèi)，以保證指標(biāo)流速率定關(guān)系穩(wěn)定。對(duì)于V-ADCP，安裝基礎(chǔ)一般在代表垂線位置（偏離不大于50 cm）打樁到河床以下1.2 m，并安裝自動(dòng)浮起裝置，ADCP（面向上游）的安裝近端偏角為20°（與豎直方向的夾角）左右。

在對(duì)設(shè)備安裝平臺(tái)進(jìn)行檢查維護(hù)時(shí)，主要包括以下步驟。

（1）對(duì)安裝平臺(tái)穩(wěn)定性進(jìn)行全面檢查，確保整體安全牢固，無銹蝕、掛渣、搖晃等現(xiàn)象。

（2）對(duì)ADCP安裝架、連接鋼絲穩(wěn)定性進(jìn)行檢查維護(hù)，確保不影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

（3）安裝位置的河段淤積情況也會(huì)對(duì)測(cè)驗(yàn)精度造成影響，應(yīng)該定期對(duì)安裝平臺(tái)所在測(cè)流斷面進(jìn)行大斷面測(cè)量，保證ADCP 測(cè)流斷面和原安裝斷面一致。若有淤積應(yīng)盡快清淤，特別是對(duì)影響ADCP 信號(hào)發(fā)射的斷面，必須立即清淤。

3.3 輔助設(shè)備檢查維護(hù)

電源系統(tǒng)和通訊設(shè)備是保障定點(diǎn)式ADCP測(cè)流系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾o助設(shè)備。

（1）檢查太陽能電池系統(tǒng)，保持太陽能電池板鏡面清潔、無裂紋，密封采光性保持完好，主板使用期及主板的故障率評(píng)價(jià)為合格及以上。太陽能電池板鏡面以南無遮檔范圍≥180°，蓄電池表面整潔，蓄電能力及故障率評(píng)價(jià)為合格及以上。對(duì)太陽能板電壓、蓄電池電壓、接地地阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量接地電阻≤4 Ω，防雷模塊運(yùn)行正常。

（2）檢查設(shè)備電纜，確保線路暢通，單位長(zhǎng)度電壓衰減量處于正常范圍，不同時(shí)期衰減量記錄變化保持在±20%以內(nèi)。岸上部分電纜線套管及防雷接口穩(wěn)固無松動(dòng)，水下電纜線套管穩(wěn)定且緊貼河底，供電、通訊系統(tǒng)電纜線外層無缺損暴露，無松動(dòng)、無掛物，線纜套管密封性好。

（3）對(duì)防腐蝕部件進(jìn)行檢查，當(dāng)防腐蝕部件腐蝕嚴(yán)重時(shí)，要及時(shí)更換該部件。檢查數(shù)據(jù)通訊模塊，確保運(yùn)行正常。對(duì)數(shù)據(jù)采集器、通信設(shè)備功能進(jìn)行逐項(xiàng)測(cè)試，確認(rèn)設(shè)備工作正常并做好參數(shù)備份。

（4）檢查水位計(jì)，提起水位計(jì)，查看讀數(shù)有無變化。確保無影響水位計(jì)正常運(yùn)行的情況，對(duì)水位進(jìn)行校核，與遙測(cè)水位誤差應(yīng)在±2 cm以內(nèi)。

（5）檢查設(shè)備機(jī)箱，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)箱設(shè)備外觀完好，保證設(shè)備清潔。對(duì)機(jī)箱內(nèi)外進(jìn)行擦拭，線纜進(jìn)行整理并合理布局。

3.4 信息傳輸設(shè)備及系統(tǒng)維護(hù)

目前，江蘇流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站測(cè)流數(shù)據(jù)（包括流量、斷面面積、斷面流速、測(cè)流原始數(shù)據(jù)等）采用移動(dòng)4G VPDN 單信道模式上報(bào)。監(jiān)測(cè)站遙測(cè)終端自報(bào)信息傳輸至分中心采集平臺(tái)（流量數(shù)據(jù)），分中心采集平臺(tái)將信息進(jìn)行初步合理性判斷后入分中心數(shù)據(jù)庫(kù)，通過交換軟件傳輸至省中心數(shù)據(jù)庫(kù)。原始數(shù)據(jù)包括點(diǎn)流速、回波強(qiáng)度、代表流速、正北偏角、橫搖、縱搖等。在平時(shí)運(yùn)行過程中，要求對(duì)測(cè)站采集軟件配置校驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行診斷，確保設(shè)備在運(yùn)行周期內(nèi)穩(wěn)定正常，測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸至省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)平臺(tái)。

4 常見故障及處理方法

ADCP 測(cè)流系統(tǒng)是由ADCP 主機(jī)、輔助設(shè)備、傳輸設(shè)備等共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)，任何部分出現(xiàn)運(yùn)行故障都可能造成整個(gè)測(cè)流系統(tǒng)運(yùn)行不正常。其中，ADCP 換能器由于長(zhǎng)期在水下環(huán)境運(yùn)行，容易造成設(shè)備運(yùn)行故障，ADCP 換能器出現(xiàn)故障的具體表現(xiàn)在設(shè)備無數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)少、信號(hào)強(qiáng)度較差、流量突變等幾個(gè)方面。表1中總結(jié)了定點(diǎn)式ADCP 系統(tǒng)常見故障及處理方法。

（1）對(duì)于設(shè)備無數(shù)據(jù)上傳，引起故障的原因包括ADCP密封插件由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，插針、插孔銹蝕，或由于雷電、老化、潮濕等原因，導(dǎo)致ADCP電源板損壞以及ADCP設(shè)備超期使用造成設(shè)備化能器故障等。目前，對(duì)于ADCP 設(shè)備使用周期尚未有明確的規(guī)范要求，根據(jù)日常使用經(jīng)驗(yàn)，使用年限超過5 年的設(shè)備存在設(shè)備老化的較多，使用年限超過8 年的設(shè)備建議進(jìn)行更換。

（2）對(duì)于數(shù)據(jù)量較少或信號(hào)較弱，引起故障的原因包括ADCP 探頭安裝位置發(fā)生較大變化或者ADCP探頭前有雜物遮擋。當(dāng)安裝斷面泥沙含量較高，水草、雜物較多時(shí)，或者ADCP設(shè)備老化、性能減弱時(shí)，都有可能造成ADCP 點(diǎn)流速減少。當(dāng)ADCP設(shè)備安裝位置過高或過低，安裝偏角上、下傾角較大，也有可能造成點(diǎn)流速數(shù)據(jù)突變。

（3）對(duì)于輔助設(shè)備，常出現(xiàn)的故障包括工控機(jī)不工作、斷電，太陽能供電系統(tǒng)工作時(shí)間小于1 周，浮子水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、ADCP自帶水位計(jì)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，常出現(xiàn)的故障包括測(cè)站軟件工作不正常，數(shù)據(jù)傳輸不正常等。

5 結(jié) 語

水文設(shè)施及相關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是確保水文測(cè)驗(yàn)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)的基礎(chǔ)。為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，不斷提高服務(wù)社會(huì)、服務(wù)公眾的能力，有必要對(duì)自動(dòng)測(cè)流設(shè)施運(yùn)行管理現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析。針對(duì)實(shí)際運(yùn)行中存在的問題，提出優(yōu)化措施，建立適用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)站智慧化的運(yùn)維管理方案，為水文系統(tǒng)的精細(xì)化管理和運(yùn)行提供新的思路和解決方案。