走航式ADCP 在水文測驗中的應(yīng)用

馬厚標(biāo)，胡燦華，崔海濤

（濟寧市水文中心，山東 濟寧 272019）

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）即聲學(xué)多普勒流速剖面儀。ADCP 在水文測驗工作中具有機動靈活、高效便捷、精細(xì)準(zhǔn)確等顯著優(yōu)勢，近年來在水文監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該儀器按照測量方式，可分為固定式和走航式[1]。其中走航式ADCP 適用于含沙量不大、漂浮物不多條件下的水文測驗測流工作，是目前的主力測流設(shè)備。國內(nèi)對其應(yīng)用研究起源于二十世紀(jì)九十年代，二十一世紀(jì)初各地普遍開始進行ADCP 水文測驗的應(yīng)用研究，并逐漸在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。隨著《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》的頒布，使用ADCP 測流正式成為水文測驗的一種常規(guī)手段。然而，在使用走航式ADCP 進行水文測驗過程中，對于出現(xiàn)的問題如不能采取科學(xué)有效措施加以解決，輕則會引起水文測驗中流量成果產(chǎn)生較大誤差，重則造成流量數(shù)據(jù)錯誤，尤其是洪水來臨時，將直接影響防汛部門決策的科學(xué)性，對人民群眾生命和財產(chǎn)安全造成威脅。

1 走航式ADCP 測流原理

走航式ADCP 測流原理和流速儀測流原理基本相同，都是在測驗斷面上布設(shè)多個測點，多條測深、測速垂線，然后分別測出各條垂線所在位置的水深和流速，根據(jù)流量測驗基本公式，得出部分?jǐn)嗝媪髁?，所有部分?jǐn)嗝媪髁坷奂拥玫饺珨嗝媪髁縖2]。不同的是，走航式ADCP 相當(dāng)于可以測量高密度垂線和測點的流速儀，相應(yīng)的垂線數(shù)和測點數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通流速儀所采用的精測法。測流時，走航式ADCP 直接根據(jù)測到的所有微單元流量累積得到實測部分流量，頂部、底部盲區(qū)流量和岸邊部分流量是推算值，這4 部分流量合成斷面流量。

2 常見問題及解決辦法

2.1 載體及外接設(shè)備的安裝

走航式ADCP 需要渡河，因此儀器探頭需要有載體，常見的方式有使用測船安裝、纜道安裝、專用或臨時浮體安裝等。生產(chǎn)上通常采用專用浮體安裝，用小型測船牽引，這樣可以盡量減少儀器入水深度、減小測量盲區(qū)，并且避免較大的測船在航行中對水流的影響。風(fēng)浪較大、浮體搖晃影響觀測的，可采用船載安裝。船載安裝時，水深較小、測船較大的采用船頭安裝，水深較大、斷面較寬的可采用船舷安裝，通航河段交通頻繁、河床不堅硬的可采用船底安裝[3]。儀器應(yīng)安裝牢固，安裝過程中應(yīng)防止碰撞儀器的探頭表面。在確認(rèn)信號線、電源線正確連接后方可通電工作。

外接設(shè)備也需要仔細(xì)安裝，GNSS 接收機應(yīng)安裝在儀器正上方，其高度要盡量低，以免船只搖晃時產(chǎn)生垂線定位偏差。外接羅經(jīng)的艏向應(yīng)與ADCP 艏向完全一致，否則可能導(dǎo)致較大的流量誤差。在外接GNSS 接收機時，除非確認(rèn)測船或浮體等沒有電磁干擾影響，否則必須進行ADCP羅盤校準(zhǔn)，外接羅經(jīng)為磁羅經(jīng)的也需要校準(zhǔn)，否則會因方向誤差導(dǎo)致較大的流量偏差。當(dāng)需要外接測深儀時，測深儀換能器應(yīng)臨近ADCP 安裝，與ADCP 的軸向保持平行，因此測深儀支架宜與ADCP 支架一并設(shè)計制作。

2.2 儀器安裝和檢測

在安裝時，儀器要輕拿輕放，安裝牢固，連接換能器的插頭上要抹適量硅脂，插好后要注意鎖好鎖圈。接通電源時，儀器會發(fā)出“嘀嘀嘀”的聲音，如果聽不到聲音，可在WinRiver2.10 軟件菜單欄“新測量”選項卡中進行檢測，在檢測過程中，要把ADCP 外面的保護套拿掉，避免影響訊號發(fā)射，同時要保證線路連接良好，電源電量充足。檢測結(jié)果正常但還是不能開始工作的，則應(yīng)檢查硬件是否存在故障。

2.3 差分GPS 檢測

在儀器正常的情況下，GPS 接收機的指示燈應(yīng)為閃綠燈，差分燈應(yīng)為閃紅燈。常見問題是收不到衛(wèi)星或者差分?jǐn)?shù)據(jù)，通常原因有以下5 種：線路鏈接問題，硬件故障，附近有高大建筑、橋梁等影響信號接收，儀器配套手機卡停機，正在使用的賬號已在別處登陸。相對應(yīng)的解決方法是：檢查線路各部分是否完好；檢查硬件是否損壞；避開障礙物；檢查配套手機卡是否停機；檢查賬號是否有他人正在使用。

2.4 GPS 羅經(jīng)檢測

在儀器正常情況下，點擊“檢測GPS 和羅經(jīng)”，指示燈會很快變綠。如果未變綠，要依次查看線路連接、通訊狀況是否良好。通訊檢測可以首先查看硬件設(shè)施中的通訊端口是否正確連接，然后在接收機配套軟件里設(shè)置相應(yīng)的端口，最后在WinRiver2.10 軟件配置的外圍設(shè)備里設(shè)置檢測參數(shù)。

2.5 測流參數(shù)設(shè)置

主要參數(shù)有底跟蹤呯數(shù)、水跟蹤呯數(shù)、單元尺寸、單元數(shù)、盲區(qū)設(shè)置。參數(shù)要根據(jù)測流斷面情況合理設(shè)置，其中，水跟蹤和底跟蹤呯數(shù)應(yīng)根據(jù)斷面寬窄、水深大小進行設(shè)置，以全斷面流速分布平滑及垂線間隔設(shè)置需要為原則，具體數(shù)值需要通過試驗進行判斷。深度單元數(shù)的設(shè)置不能超過設(shè)備允許的上限，而且深度單元尺寸與深度單元數(shù)的乘積要大于或者等于所測斷面的最大水深[3]。通常情況下，在最大水深處，實際觀測到的單元數(shù)要比儀器可設(shè)最大單元數(shù)至少少2 個。因此，在控制綜合誤差的要求下，單元數(shù)越多，垂線流速觀測分辨率越高，垂線流速觀測結(jié)果也越接近真值，單元數(shù)盡量不少于20 個。但是，垂線上單元數(shù)的設(shè)定要兼顧對斷面垂線數(shù)的影響，設(shè)置單元數(shù)越密，信號處理耗時越多；反之，在控制走航歷時的條件下，斷面上得到的總垂線數(shù)越少、垂線間隔就越大。因此應(yīng)該合理確定單元尺寸的大小。具體操作中，可以先到斷面最大水深處，從最多可設(shè)單元數(shù)相應(yīng)的單元尺寸開始，逐漸增大單元尺寸，取垂線剖面數(shù)據(jù)的信號間隔在明顯由大到小的變化轉(zhuǎn)為不再明顯變小的節(jié)點，以此時設(shè)置的單元數(shù)為最佳。盲區(qū)設(shè)置要小于儀器標(biāo)稱的最小盲區(qū)值。如果水深足夠大，可以適當(dāng)增大盲區(qū)設(shè)置值，對于需要進行流速分布數(shù)據(jù)提取的，可以根據(jù)要求通過盲區(qū)值的設(shè)置將單元位置設(shè)定在逢5 或0 的位置。

2.6 走航施測流量

采用船載方式走航施測時，首先逆流緩慢向斷面起點前行，快要抵達起點時，使船速與流速基本接近，到達起點位置后使船只穩(wěn)定，啟動數(shù)據(jù)采集功能，下達開始記錄指令，記錄水邊距。待達到所需數(shù)據(jù)量后，操控船只沿著橫斷面勻速離開。當(dāng)接近終點時候，提前降低船速，并最終控制船只穩(wěn)定于終點位置，等達到岸邊流速計算所需的數(shù)據(jù)量后，下達結(jié)束本單程測回的指令，記錄水邊距，如需進行返測，則繼續(xù)控制船只穩(wěn)定在終點，下達開始記錄指令，記錄水邊距，待達到所需的數(shù)據(jù)量后，操控船只沿著橫斷面勻速返回。在對岸重復(fù)上述操作。

2.7 航跡中途或者河底位置出現(xiàn)空白的處理

如果僅在航跡中途出現(xiàn)空白，測船要在空白部分重新測流，不會對最終測流結(jié)果產(chǎn)生影響。如果在河底位置出現(xiàn)空白，則該測次測流數(shù)據(jù)無法使用，需要進行重測。

2.8 走沙判斷

在多沙地區(qū)，有一些河流存在推移質(zhì)運動或者河底存在高含沙水層，當(dāng)ADCP 的聲波不足以穿透沙層抵達河床的硬底并正常反射時，就會出現(xiàn)航跡偏離。如果將ADCP 固定在某處不運動，則可以看到數(shù)據(jù)表現(xiàn)出儀器在往上游運動的假象，這種現(xiàn)象被稱為“移動底”現(xiàn)象，也被稱作“走沙”。通常有4 種應(yīng)對方法：一是采用頻率更低的設(shè)備，但這樣分辨率和精度會有所下降，水深較小時流量誤差會比較大；二是外接GNSS 定位設(shè)備，但需要在進行準(zhǔn)確的磁偏角設(shè)置和羅盤校準(zhǔn)有磁干擾情況下；三是采用“回路法”，但須按照流程正確設(shè)置軟件并進行操作；四是采取固定垂線方式觀測，將ADCP 當(dāng)做流速儀，用水跟蹤值計算垂線流速。以上4 種方法，可以根據(jù)具體情況合理選用。

2.9 測流結(jié)果超差的處理

常見原因有3 種情況：河底動底；定位和定向天線接反；參數(shù)和命令設(shè)置不合理。相應(yīng)的解決辦法是：使用GPS 的定位信息數(shù)據(jù)或地面速度信息數(shù)據(jù)；正確連接定位和定向天線，并重測；合理設(shè)置各項命令和參數(shù)后，多次測流，減少誤差。

2.10 測流數(shù)據(jù)挑選

無動底發(fā)生時，GPS 定位信息模式、地面速度信息模式、底跟蹤模式測船航跡線基本重合，優(yōu)先使用底跟蹤數(shù)據(jù)；如果發(fā)生動底，則使用兩個測回GPS 定位信息或者地面速度信息數(shù)據(jù)進行航跡擬合，采用擬合后的數(shù)據(jù)作為最終測流成果。

2.11 儀器維護保養(yǎng)

每次測流結(jié)束后，應(yīng)切斷電源，將儀器擦拭干凈并晾干后拆卸裝箱，平時應(yīng)注意蓄電池充電養(yǎng)護及換能器探頭保護。

3 結(jié)語

走航式ADCP 在水文測驗中的廣泛應(yīng)用，極大地提高了流量測驗效率，但應(yīng)注意在使用中采取有效方法解決覺常見問題，盡量減小流量測驗誤差，提高測驗精度。