水文測驗中ADCP的應(yīng)用分析

程瑞修

【摘要】在水文測驗工作中，如何實現(xiàn)測量效率提高、測量時間減少以及動態(tài)監(jiān)測都是水文技術(shù)研究中的一個重要問題。而近年來研制出的ADCP儀器使得水文測驗工作邁出了發(fā)展道路上極其重要的一步。本文主要對ADCP的基本原理、特點和相關(guān)測量中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】水文測驗；ADCP；應(yīng)用

ADCP是聲學(xué)多普勒流速剖面儀的簡稱，是以聲學(xué)多普勒原理為基礎(chǔ)研制的。目前，該儀器是世界上河流流速流量實時測量最常用、最先進(jìn)的設(shè)備，是借助超聲波多普勒頻移的物理原理，通過高分辨率對水流垂直或水平方向的瞬時流速以及河流深度、寬度進(jìn)行測量，以此將河道斷面流量計算得出。

1、 ADCP的基本原理

ADCP儀器是借助配備的換能器在發(fā)射某個頻率固定的聲波后，仔細(xì)聆聽水中顆粒物散射的聲波完成測驗工作的。假設(shè)水體中顆粒物有著與水體速度相同的運動速度，ADCP通過跟蹤顆粒物的運動（簡稱“水跟蹤”）所測量的速度是以ADCP為參照狀態(tài)下水流的速度，測量過程中，在水跟蹤測量的相對速度中將換能器載體移動速度減去便能將水流絕對速度得出。ADCP有著與傳統(tǒng)流速儀法相同的流量測量原理，都是將測流斷面分成多個子斷面，隨后對每個子斷面內(nèi)垂線上一點或多點流速、水深進(jìn)行測量，以此將子斷面內(nèi)平均流速、流量得出，最后通過各個子斷面內(nèi)流量的疊加進(jìn)而將整個斷面的流量得出。

2、 ADCP的特點

2.1、動態(tài)測量

傳統(tǒng)測驗方式中，不管是人工船測、橋測或是涉水測量等，都是將測量儀器固定在所測垂線處進(jìn)行測量的。而采用ADCP儀器進(jìn)行測量時是以動態(tài)方法進(jìn)行的，與測船運動過程同步進(jìn)行的動態(tài)測量。

2.2、采樣率高

傳統(tǒng)測驗方式中，河流斷面上布設(shè)的測驗垂線僅有幾條，而每條垂線上的測點也十分少。而采用ADCP進(jìn)行測量時，即便是在測船航行過程中也有著極高的采樣率，能同時對幾十個深度不同的采樣值進(jìn)行測量。

2.3、斷面布設(shè)靈活

傳統(tǒng)測驗方式中，通常都是將測流斷面與河岸垂直。而采用ADCP進(jìn)行測量時，其測量結(jié)果并未與船只至河流此岸到彼岸間航線存在聯(lián)系，無論是斜線或是曲線的軌跡都可以，從而將測量工作進(jìn)一步簡化。

3、 ADCP的應(yīng)用

3.1、流量測量

ADCP能夠快速準(zhǔn)確地將測量斷面流量。有學(xué)者展開了對ADCP測流的工作原理的研究，通過該儀器所測結(jié)果與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，ADCP所測流量數(shù)據(jù)結(jié)果十分準(zhǔn)確，這也為水資源管理信息化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。也有學(xué)者將其測量數(shù)據(jù)結(jié)果與人工實測數(shù)據(jù)對比后借助指標(biāo)流速法將其與纜道流速儀法測量斷面流速間的關(guān)系確定，并通過誤差統(tǒng)計確定流速公式。而通過水平式ADCP測驗水位與指標(biāo)流速的對比，對平均流速與斷面指標(biāo)流速間的關(guān)系分析，實現(xiàn)水位流量數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，從而為解決水文站斷面岸死水分界提供有效根據(jù)。而通過對水文站流量的觀測，對流速儀法與走航式ADCP測量河流流量的測量結(jié)果進(jìn)行對比，得出在河床穩(wěn)定、含沙量少、流況簡單的河流流量測量中能夠應(yīng)用。而通過對ADCP測流原理的研究，并于水文站實際應(yīng)用相結(jié)合，得出寬帶ADCP能夠測得一定精確度的流量結(jié)果。

3.2、水深測量

ADCP在將聲波脈沖發(fā)射過后，從不同深度的水體中背向散射回來的聲波脈沖信號在時間上存在區(qū)別，不過都為連續(xù)的狀態(tài)。但是，聲波脈沖的傳播速度在一定水域、深度范圍水體中都是不變的，因此，對于水深的確定可根據(jù)聲波脈沖發(fā)出至接收過程所花費的時間而計算得出。

通過對ADCP本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得知該儀器測量的水深數(shù)據(jù)結(jié)果不夠精確，故而提出利用DGPS方式對船速測定，以此修正磁偏角，從而校正原始水深數(shù)據(jù)的方法，以已建河床DEM數(shù)據(jù)為根據(jù)能夠確保所測河床高程值更加精確。有學(xué)者通過將測流過程中ADCP能夠同時連續(xù)對水深測量的功能與GPS高精度定位、實時導(dǎo)航功能相結(jié)合，對水庫進(jìn)行水下地形測量，得出ADCP能夠?qū)⑺碌匦螠y量的要求完全滿足。在特殊水下地形測量中，將單品測深儀和走航式ADCP所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)，走航式ADCP能在特殊水下地形測量中完成流量測驗的同時也將單品測深儀所負(fù)責(zé)的任務(wù)完成。

3.3、流態(tài)測量

傳統(tǒng)水文測驗方法無法滿足對某個空間流場或斷面流態(tài)的觀測要求，僅能測量代表斷面施測點流速的大小。而采用ADCP時，其測流技術(shù)能將每個深度單元流速矢量東、北和垂向分量測出，以此獲得連續(xù)的垂直剖面資料，同時還能將斷面流場的空間分布和三維流態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速得出。有學(xué)者采用走航式ADCP對長江口水文斷面和流暢形態(tài)的流量測量進(jìn)行了研究，得出ADCP能準(zhǔn)確測量、采集長江口的水流結(jié)構(gòu)、潮流特性及實現(xiàn)超流量測量分析，可得出其他類型儀器無法得出的數(shù)據(jù)信息量。而在內(nèi)河流態(tài)測量中ADCP存在問題的研究中，有學(xué)者以瀘州火電廠取水口河段的流態(tài)觀測為例提出借助GPS技術(shù)和外界羅京技術(shù)將其測量誤差改正的方法，并得知該方法準(zhǔn)確。有研究者通過ADCP描述了某船下游航道流態(tài)的過程、方法，經(jīng)過計算并對結(jié)果是否合理進(jìn)行檢查后得到了準(zhǔn)確的橫向回流流速數(shù)據(jù)，從而為適航流量級別的劃定提供了有效依據(jù)。

4、結(jié)語

ADCP儀器因其測量方式高效、測量結(jié)果準(zhǔn)確，故而使水文測驗技術(shù)發(fā)展迅速。隨著水文測驗中ADCP的應(yīng)用不斷廣泛，水文測驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時效性也能確保我國水利行業(yè)的穩(wěn)定、健康發(fā)展。而近年來科技技術(shù)的不斷發(fā)展也推動了ADCP儀器的進(jìn)一步改進(jìn)，也使得該儀器測量所得結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

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