走航式ADCP在河道斷面測(cè)量中的應(yīng)用

王露葉文王東

走航式ADCP在河道斷面測(cè)量中的應(yīng)用

王露葉文王東

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水流速度剖面的儀器，自帶的測(cè)速、測(cè)深、定位功能可直接測(cè)出斷面的流速剖面，且具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)，被廣泛用于海洋、河口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測(cè)驗(yàn)等工作。無(wú)線ADCP是把儀器探頭裝在配套的遙控測(cè)量船上，數(shù)據(jù)通過電臺(tái)或藍(lán)牙進(jìn)行傳輸。測(cè)量船從河流斷面左岸航行至右岸時(shí)，ADCP不僅可實(shí)時(shí)測(cè)出河道流速、流量等信息，也可測(cè)出ADCP經(jīng)過軌跡處的水深。ADCP測(cè)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過改正，可形成河道斷面數(shù)據(jù)。本文所論述的方法相對(duì)于傳統(tǒng)河道斷面測(cè)量的方法，最大的優(yōu)點(diǎn)是操作人員僅需在岸上進(jìn)行操作，極大降低了水上作業(yè)危險(xiǎn)性。

一、走航式ADCP測(cè)流原理

（1）三維矢量流速：ADCP有3個(gè)或4個(gè)聲換能器，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器，換能器與軸線成一定傾角（一般為20°），假定水體中顆粒物與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器聆聽到的回波頻率高；當(dāng)顆粒物的移動(dòng)方向背離換能器時(shí)，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波頻低，根據(jù)聲學(xué)多普勒頻移公式，可計(jì)算顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度（即沿聲束方向的水流速度）。每個(gè)換能器軸線即為一個(gè)聲束坐標(biāo)。每個(gè)換能器測(cè)量的流速是水流沿其聲束坐標(biāo)方向的速度，任意3個(gè)換能器軸線即組成一組相獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)系。同時(shí)，ADCP自帶羅盤，利用羅盤和傾斜計(jì)提供方向和傾斜數(shù)據(jù)，可將空間聲束坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系下的三維流速。

（2）定位：ADCP具有水底跟蹤模式，同測(cè)量三維矢量流速一樣，可測(cè)出ADCP相對(duì)于靜止河底的三維速度，從而根據(jù)時(shí)間，確定ADCP移動(dòng)的矢量位置，進(jìn)而進(jìn)行相對(duì)定位。

（3）起點(diǎn)距：假定沿流向河道深度一致，把ADCP的矢量位置按照流向改正到同一斷面線上（一般改正到ADCP起點(diǎn)所處的河道斷面上），把ADCP實(shí)際矢量位置（N，E）改正到ADCP起點(diǎn)所處的河道斷面線上（N0，E0），見圖1。改正公式如下：

圖1 ADCP斷面改正示意圖

圖2 輸出ASCII數(shù)據(jù)文件格式

圖3 流速大小等值圖

圖4 流速航跡合成圖

圖5 ADCP法與傳統(tǒng)法所測(cè)河道斷面比較圖

E0=N0×tg（a+90）

根據(jù)改正后的位置（N0，E0）計(jì)算至ADCP起點(diǎn)的距離，再加上起始岸邊距，得到距起始岸邊的距離D：

（4）測(cè)深：ADCP的3個(gè)或4個(gè)聲換能器可分別測(cè)量水深，假定河底變化較為均勻，對(duì)換能器測(cè)出的水深進(jìn)行角度改正后，取部分換能器平均水深可得到ADCP所處位置的水深。

二、數(shù)據(jù)文件解析

（1）ASCII數(shù)據(jù)文件格式：ADCP配套的WINRIVER測(cè)流原始文件為*r.000，是二進(jìn)制文件，難以解讀，為便于文件查看，利用“輸出ASCII數(shù)據(jù)文件”功能，形成*t.000，格式如圖2。

（2）數(shù)據(jù)格式解讀：第3行最后4組數(shù)據(jù)分別是ADCP4個(gè)探頭所測(cè)水深。第4行第3、4個(gè)數(shù)據(jù)分別是相對(duì)于起點(diǎn)的南北、東西的矢量位置。第6行第5，7個(gè)數(shù)據(jù)分別是左、右岸邊距。

（3）數(shù)據(jù)提?。豪肰B等編程工具，自動(dòng)提取水深、矢量位置、左右岸邊距、流向、起始岸邊等數(shù)據(jù)。根據(jù)公式計(jì)算起點(diǎn)距及水深。

三、應(yīng)用實(shí)例

（1）圖3、圖4為采用ADCP進(jìn)行河道流量、斷面測(cè)量的實(shí)例，分別為流速大小等值圖和流速航跡合成圖。

（2）從ADCP的ASCII數(shù)據(jù)文件中摘錄出斷面位置及水深信息，對(duì)位置進(jìn)行起點(diǎn)距改正，用水位推求各點(diǎn)的高程，繪制出由ADCP所測(cè)斷面圖，見圖4。采用ADCP測(cè)量河道斷面與傳統(tǒng)方法所測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，1m以下，ADCP所測(cè)河道斷面面積與實(shí)測(cè)河道斷面面積的相對(duì)誤差為1.6%，除左岸相差較大處，其余河底基本一致，最大僅差0.10m。

四、結(jié)語(yǔ)

利用ADCP測(cè)量河道斷面，可滿足一般河道斷面測(cè)量的要求。隨著遙控船、無(wú)線藍(lán)牙傳輸?shù)刃录夹g(shù)在ADCP中的應(yīng)用，無(wú)線ADCP將使河道斷面測(cè)量變得更加簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)方法相對(duì)，無(wú)線ADCP測(cè)量河道斷面具有以下特點(diǎn)：

（1）操作簡(jiǎn)單、便捷，岸上即可遙控施測(cè)，避免了傳統(tǒng)方法水上作業(yè)的危險(xiǎn)性。

（2）在一些對(duì)斷面測(cè)量要求不高的項(xiàng)目中，特別是通航河道的斷面，利用無(wú)線ADCP對(duì)河道斷面進(jìn)行測(cè)量，方便、快捷，測(cè)量精度具有一定的保障。

（3）在使用ADCP進(jìn)行斷面測(cè)量時(shí)要求船速均勻、河底變化相對(duì)均勻、左右岸邊距測(cè)量要準(zhǔn)，對(duì)于河道斷面變化不均勻處，建議用其他測(cè)量方法再進(jìn)行補(bǔ)充

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測(cè)局宿遷分局 223800）

（專欄編輯：顧 梅）