走航式ADCP在利辛水文測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

江德武

(安徽省阜陽(yáng)水文水資源局利辛水文勘測(cè)隊(duì)，安徽 阜陽(yáng) 236000)

流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)區(qū)巡測(cè)中的一項(xiàng)重要任務(wù),水文測(cè)區(qū)即水文業(yè)務(wù)的管理區(qū)域,可以按行政分區(qū)也可以按水文業(yè)務(wù)管理分區(qū),水文測(cè)區(qū)內(nèi)分布著各類(lèi)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn),設(shè)立一個(gè)管理機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理。利辛水文測(cè)區(qū)是按行政分區(qū),由利辛水文勘測(cè)隊(duì)負(fù)責(zé)利辛縣區(qū)域內(nèi)的水文業(yè)務(wù)管理。由于測(cè)區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)較為分散,傳統(tǒng)的流速儀測(cè)法測(cè)量前期需要大量的準(zhǔn)備工作,例如大斷面測(cè)量﹑基線布設(shè)﹑設(shè)置標(biāo)志桿等。實(shí)測(cè)流量時(shí)需布設(shè)垂線逐點(diǎn)測(cè)量耗時(shí)費(fèi)力,測(cè)區(qū)多為汛期站點(diǎn),汛期大水期間各斷面河水暴漲巡測(cè)任務(wù)量大,傳統(tǒng)的流速儀測(cè)法已不適宜測(cè)區(qū)的巡測(cè)工作。隨著水文新技術(shù)的發(fā)展,水文測(cè)驗(yàn)儀器也在日新月異地發(fā)展,大量先進(jìn)儀器已進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域,利辛水文測(cè)區(qū)也換裝了一臺(tái)先進(jìn)的測(cè)流設(shè)備——走航式ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler，聲學(xué)多普勒流速剖面儀),它是利用超聲波多普勒頻移原理與現(xiàn)代技術(shù)的融合推出的一款能夠?qū)恿髁魉?、流量進(jìn)行實(shí)測(cè)的儀器。該儀器在河道斷面測(cè)量時(shí)能在快速獲取瞬時(shí)流速的同時(shí)對(duì)河流深度和寬度以及懸浮顆粒的剖面進(jìn)行測(cè)量,與之配套關(guān)聯(lián)的電腦利用ADCP軟件即可實(shí)時(shí)接收儀器采集到的全部數(shù)據(jù)信息并自動(dòng)生成河道的斷面流量。本文針對(duì)提升水文測(cè)區(qū)巡測(cè)的工作效率與測(cè)驗(yàn)質(zhì)量的問(wèn)題,對(duì)先進(jìn)的ADCP流速儀能在測(cè)區(qū)的巡測(cè)中起到怎樣的作用展開(kāi)了研究,通過(guò)ADCP在利辛測(cè)區(qū)的大量應(yīng)用,對(duì)其性能和效率進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究表明：該款儀器對(duì)測(cè)區(qū)巡測(cè)能起到關(guān)鍵作用,在迅速提高巡測(cè)效率的同時(shí)使水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度得到有效提升。研究成果對(duì)該儀器在國(guó)內(nèi)水文測(cè)區(qū)的推廣及進(jìn)一步的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作原理

ADCP是聲學(xué)多普勒應(yīng)用領(lǐng)域的一大突破,被成功應(yīng)用到水文測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域，在采集河道流量方面性能突出。它利用換能器在水面下向水體發(fā)射聲波頻率,該聲波在遇到水中懸浮顆粒時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波,再由換能器接收該回波。而水中的懸浮顆粒會(huì)隨流而動(dòng),這一特性即為多普勒頻移,ADCP就是利用換能器發(fā)射與接收聲波頻率的功能獲取頻率差取得參數(shù),從而測(cè)算水流速度。走航式ADCP在測(cè)船行進(jìn)中進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量值包含船速在內(nèi),需減去船速才是實(shí)際水流流速。所謂船速不是測(cè)船行駛速度,而是ADCP利用底跟蹤技術(shù),通過(guò)持續(xù)跟蹤測(cè)船在水中的位置相對(duì)河底的位移速度取得的。ADCP換能器與其軸線成一定夾角,測(cè)量的是水流沿聲束坐標(biāo)方向的速度,經(jīng)羅盤(pán)和傾斜儀轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)三維流速。假設(shè)顆粒物與水流同速,當(dāng)懸浮顆粒漂向換能器時(shí)回波大于發(fā)射波。同理,當(dāng)懸浮顆粒遠(yuǎn)離換能器時(shí)回波小于發(fā)射波。兩頻率差產(chǎn)生多普勒頻移[1-4]：

Fd=2FV/C

式中:Fd為多普勒頻移，Hz;F為發(fā)射頻率，Hz;V為顆粒物的速度，km/h;C為聲波傳遞速度,km/h。

2 實(shí)際應(yīng)用

利辛水文測(cè)區(qū)內(nèi)有一個(gè)國(guó)家重要水文站、一個(gè)中小河流水文站、4個(gè)市界斷面及若干臨時(shí)斷面、16個(gè)雨量站、15個(gè)地下水站、4個(gè)墑情站、6個(gè)水質(zhì)站。測(cè)區(qū)巡測(cè)任務(wù)重,站點(diǎn)分散,臨時(shí)斷面缺少測(cè)流斷面資料。走航式ADCP以測(cè)量速度快﹑價(jià)格適中﹑普及面廣﹑能夠同時(shí)測(cè)量流速和斷面等優(yōu)點(diǎn),相比其他的測(cè)流儀器具有較多優(yōu)勢(shì),如電波流速儀和超聲波流速儀都需要借助測(cè)流斷面資料才能計(jì)算流量,ADC或無(wú)人機(jī)測(cè)流儀器因價(jià)格昂貴等原因尚未普及,因此走航式ADCP成為測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)的首選。

2.1 在闞町閘水文站的應(yīng)用情況

2.1.1闞町閘水文站概況

闞町閘水文站是利辛水文測(cè)區(qū)的一個(gè)國(guó)家重要水文站，是茨淮新河重要控制站。該站位于利辛縣闞町閘,轄區(qū)集水面積5278km2。上游插花閘距該站約28km,下游上橋閘距該站約72km。

自建站以來(lái)各項(xiàng)水文要素特征值如下：

歷年極值：最大降水量1604.5mm，最小降水量494.6mm；閘上最高水位26.08m,最低水位18.69m；閘下最高水位25.97m,最低水位河干；最大流量1680m3/s,最小流量為0；最大徑流量21.50億m3,最小徑流量1.46億m3[5]。

多年平均值：降水量950.9mm，閘上水位24.11m，閘下水位部分河干，流量38.2m3/s，徑流量9.28億m3。

2.1.2 走航式ADCP的應(yīng)用

該站以前采用流速儀法測(cè)流,由于測(cè)區(qū)成立后以巡測(cè)為主,傳統(tǒng)的流速儀法測(cè)流方式耗時(shí)費(fèi)力,現(xiàn)今采用更為先進(jìn)的以航式ADCP為主的測(cè)流方式,由于闞町閘站河面較寬,流量測(cè)驗(yàn)期間ADCP采用走航式模式進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn),將ADCP儀器的水下?lián)Q能器安裝在專(zhuān)用的承載體上用測(cè)船拖曳著進(jìn)行測(cè)量[6]。當(dāng)測(cè)船從測(cè)驗(yàn)斷面的起始岸邊航行到彼岸邊的終點(diǎn)時(shí),與之配套關(guān)聯(lián)的電腦利用ADCP軟件即可實(shí)時(shí)接收儀器采集到的全部數(shù)據(jù)信息,包括斷面深度和寬度、水流速度以及儀器所在位置,該位置是通過(guò)底跟蹤技術(shù)測(cè)算出來(lái)的。它可以測(cè)算出垂直于航線的流速分量,排除了航線對(duì)測(cè)驗(yàn)精度的影響,在起始點(diǎn)和終點(diǎn)固定的情況下可以采用垂直航線和非垂直航線。流量成果采用來(lái)回兩次測(cè)量的平均值,因此降低了人工駕駛測(cè)船產(chǎn)生的航跡誤差,大大方便了流量測(cè)驗(yàn)作業(yè)。

2.2 在測(cè)區(qū)中小河流站及市界斷面的應(yīng)用情況

利辛水文測(cè)區(qū)站點(diǎn)分散,巡測(cè)任務(wù)重,因此，利辛測(cè)區(qū)流量測(cè)驗(yàn)主要采用走航式ADCP。該儀器的采用使得前期的準(zhǔn)備工作減少了很多,到達(dá)需要測(cè)流的河道后,首先尋找可利用的跨河橋梁,找到后將ADCP儀器的水下?lián)Q能器安裝在專(zhuān)用的承載體上拖拽纖繩進(jìn)行橋測(cè),即可迅速地完成流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)。當(dāng)中小河流水體由于暴雨或區(qū)間較大來(lái)量加入時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)劇烈的水文運(yùn)動(dòng)造成河水上漲,此時(shí)水體會(huì)涌現(xiàn)大量雜質(zhì)，水質(zhì)污濁,水面會(huì)出現(xiàn)大量的漂浮物。使用ADCP實(shí)測(cè)流量時(shí),巡測(cè)人員可以減少直接與污濁水體的接觸,從而保證了測(cè)驗(yàn)人員的安全。對(duì)初次測(cè)量的斷面,使用ADCP測(cè)量時(shí),在設(shè)置測(cè)驗(yàn)參數(shù)時(shí)可以先放寬些,粗略測(cè)量一次,得到水深、流速及河底概況等,再根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,重置新的參數(shù),進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。注意船速要小于流速,大水測(cè)量時(shí)應(yīng)避開(kāi)水面漂浮物,只有采取這種方法才能測(cè)到精確的流量數(shù)據(jù)。目前,已面市多款A(yù)DCP產(chǎn)品,由于測(cè)區(qū)的河流大小不一,各水體水質(zhì)不同,測(cè)驗(yàn)時(shí),應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)巡測(cè)的要求來(lái)選擇合適的ADCP產(chǎn)品,將斷面盡可能布設(shè)在流速穩(wěn)定的位置,盡量避開(kāi)外界環(huán)境的影響,以此提高測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

通過(guò)ADCP在利辛測(cè)區(qū)的大量應(yīng)用,積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并分析了該款儀器在水文測(cè)驗(yàn)中的優(yōu)劣和注意事項(xiàng)以及應(yīng)用前景供后續(xù)使用者借鑒。

3.1 ADCP在水文測(cè)驗(yàn)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

a.測(cè)量速度快,能夠同時(shí)測(cè)量流速和斷面[7]。

b.可以體現(xiàn)三維流速流向情況。

c.能自動(dòng)排除外界因素影響,既能評(píng)判數(shù)據(jù)資料,又能鑒別數(shù)據(jù)質(zhì)量,在數(shù)據(jù)處理時(shí)能自動(dòng)剔除不合理的數(shù)據(jù)以保證測(cè)量的精度。

d.ADCP為聲波傳感器,操作便捷,不干擾水流,適用于流速不小于0.5m/s范圍內(nèi)的中高流速測(cè)量。

e.ADCP在進(jìn)行流速剖面測(cè)量時(shí)還可以進(jìn)行懸浮物濃度剖面測(cè)量,說(shuō)明該儀器具有采集輸沙率的功能,還可以將其應(yīng)用于泥沙遷移規(guī)律的研究領(lǐng)域。

f.ADCP可以測(cè)量卵石間的過(guò)隙流量,這是傳統(tǒng)測(cè)流儀無(wú)法測(cè)到的,可見(jiàn)其測(cè)驗(yàn)成果精確可靠。

g.傳統(tǒng)的測(cè)量方式總是固定在垂線的位置上逐點(diǎn)測(cè)量,ADCP是在測(cè)船航行中動(dòng)態(tài)測(cè)量。

h.測(cè)驗(yàn)用時(shí)較少。傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方法需要在某河流斷面上布設(shè)幾條測(cè)速垂線,還要在每條垂線上逐點(diǎn)測(cè)量,用時(shí)較多。而ADCP則是在測(cè)船行進(jìn)的過(guò)程中即可完成測(cè)驗(yàn)任務(wù),用時(shí)較少。

i.斷面可靈活布設(shè)。傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方式要求斷面必須垂直于河岸且以直線方式沿?cái)嗝娌荚O(shè)各條測(cè)速垂線[8]。而ADCP測(cè)驗(yàn)方式只要求起始點(diǎn)與終點(diǎn)固定,航行軌跡既可以為弧線也可以為曲線,無(wú)須為航行做直線標(biāo)志,可靈活布設(shè)斷面,大大減輕了測(cè)量前的準(zhǔn)備工作。

3.2 ADCP測(cè)流系統(tǒng)的局限性

a.ADCP測(cè)流系統(tǒng)本身的局限性:諸如流速量程、流速剖面深度量程、水溫限制、傾斜度限制、水中散射體限制、分層數(shù)限制等。

b.被測(cè)水體的干擾:諸如風(fēng)浪過(guò)大、水中散射體太少或懸浮物太多,ADCP都無(wú)法適應(yīng)。

c.“活動(dòng)河底”的影響:在這種情況下,底跟蹤測(cè)得的船速發(fā)生錯(cuò)誤,導(dǎo)致水流速度相應(yīng)出錯(cuò)[9]。

d.河底沉積物較厚的情況下可能丟失底跟蹤信號(hào)。

e.對(duì)測(cè)船的要求:?速度方面,若河床深度陡變,則測(cè)船應(yīng)慢慢地通過(guò)該區(qū)域,越慢越好,宜船速不大于最大流速,尤其要注意不能突然加速,以確保底跟蹤有效地鎖定河底深度;?最好選用木船,鐵船對(duì)流向有一定的影響。

f.過(guò)往船只對(duì)表層流的影響可能導(dǎo)致流量值不太準(zhǔn)確,施測(cè)斷面流量最好選擇在過(guò)往船只的間隙期,且應(yīng)偶數(shù)次測(cè)量取平均值作為結(jié)果。

g.ADCP安裝位置要合適:?保證儀器探頭工作過(guò)程中不出水;?不要安裝在船頭或船尾產(chǎn)生大量氣泡的地方;?盡量遠(yuǎn)離噪聲源。

h.ADCP一般不可當(dāng)作普通的測(cè)深儀使用。

3.3 ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中注意事項(xiàng)

通過(guò)ADCP在利辛測(cè)區(qū)的大量應(yīng)用,積累了該款儀器在水文測(cè)驗(yàn)中應(yīng)注意的事項(xiàng)供后續(xù)使用者參考。

a.在使用ADCP測(cè)流時(shí),為取得準(zhǔn)確的測(cè)驗(yàn)結(jié)果,在不同河流的測(cè)驗(yàn)斷面上,應(yīng)視其具體情況和測(cè)驗(yàn)斷面特性,在測(cè)流前進(jìn)行ADCP系統(tǒng)的檢測(cè)和配置,精確設(shè)置儀器參數(shù),否則會(huì)出現(xiàn)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)不全面或測(cè)驗(yàn)精度降低等問(wèn)題。

b.ADCP是一款聲學(xué)測(cè)量?jī)x,其聲波的傳遞會(huì)受到泥沙顆粒含量的影響,為保證測(cè)驗(yàn)精度,該儀器應(yīng)在含沙量不大于10kg/m3的條件下使用。

c.ADCP要求測(cè)船的船速不能高于流速,限制了測(cè)船的行進(jìn)速度,一定程度上延長(zhǎng)了測(cè)驗(yàn)的時(shí)間。因此ADCP不太適用于流速較小的河段測(cè)驗(yàn)。

d.ADCP的水下?lián)Q能器采用全封閉式的設(shè)計(jì),在發(fā)生故障的情況下只有返廠維修;主板很貴無(wú)備用,會(huì)因故障影響流量測(cè)驗(yàn),因此,要嚴(yán)格按照操作程序使用和管理,確保儀器正常使用。

e.發(fā)射信號(hào)的電臺(tái)和配套測(cè)量的電腦續(xù)電能力不高,遇多個(gè)斷面連續(xù)巡測(cè)時(shí)會(huì)因缺電影響測(cè)量。

3.4 ADCP應(yīng)用前景

ADCP作為一款先進(jìn)的測(cè)流設(shè)備,在省時(shí)省力快速完成測(cè)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí),使水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度得到有效提升,簡(jiǎn)單易懂的操作方式也是ADCP迅速普及的因素之一。隨著該產(chǎn)品的大量實(shí)踐應(yīng)用會(huì)取得更好的應(yīng)用成果,屆時(shí)ADCP將會(huì)納入水文研究領(lǐng)域,將推動(dòng)ADCP的革新,使測(cè)量范圍更為全面,數(shù)據(jù)精度更為準(zhǔn)確,隨著ADCP功能的完善更新,其應(yīng)用領(lǐng)域可以擴(kuò)寬到水利行業(yè)的多個(gè)方面,其發(fā)展前景更加寬廣。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)ADCP在利辛測(cè)區(qū)的應(yīng)用方面的分析可知,ADCP是一款先進(jìn)的聲學(xué)測(cè)量?jī)x器,它具有快速測(cè)量流速、流向、水深、河底形狀及回波強(qiáng)弱等優(yōu)勢(shì),它不僅適用于水文測(cè)驗(yàn),還適用于泥沙遷移規(guī)律的研究領(lǐng)域。ADCP以其快速高效的測(cè)驗(yàn)方式和準(zhǔn)確可靠的實(shí)測(cè)資料,極大地促進(jìn)了水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程,提高了水文測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性,為防汛救災(zāi)提供了可靠保證。為適應(yīng)水文測(cè)驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)要求,ADCP在底沙運(yùn)動(dòng)和盲區(qū)等問(wèn)題上仍需進(jìn)一步完善[10]。但隨著ADCP產(chǎn)品不斷推陳出新,新的儀器性能日趨完善,為其在水文測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。