ADCP測流與傳統測流的對比及應用

摘 要：流量測驗是水文工作的重要任務之一，傳統的河流流量測驗主要采用單點流速儀法，廣泛運用在人工船測、橋測、纜道、涉水測量等，既費時效率也很低。ADCP的數據采集、傳輸、存儲全部通過電腦控制操作，自動化程度高。ADCP的使用比傳統測驗方法提高效率幾十倍，標志著河流流量測驗的現代化，被稱為是流量測驗領域的一次革新。

關鍵詞：ADCP測流；傳統測流；多普勒；北川水文站

中圖分類號: TV8?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)02(b)-0000-00

1ADCP 測流原理

ADCP是20 世紀80 年代初發展起來的一種利用聲學多普勒原理測量水流速剖面的儀器， 根據測定水體中微顆粒聲后向散射的多普勒頻移來測量水體速度。它的換能器發射出一定頻率的脈沖， 該脈沖碰到水體中的懸浮物質后產生后向散射回波信號。由于懸浮物質隨流漂移， 使該回波信號頻率與發射頻率之間產生一個頻差， 即多普勒頻移。根據這一頻移的大小和符號(正負)， 即能計算出流速和流向。由于聲速在一定深度范圍內(表層至幾百米深度) 的水體中的傳播速度基本不變， 根據聲波由發射到接收的時間差便可確定深度。一臺ADCP可以頂替若干臺傳統的流速儀， 在使用ADCP 測流時， 設置不同厚度的深度單元， 即將測流斷面分成若干個子斷面， 利用不斷發射的聲波， 確定一定的發射時間間隔及滯后， 通過多普勒頻以及譜寬度的估算， 便可得到整個水體剖面逐層上水體的流速; 在每個子斷面內測量垂線上一點或多點流速并測量水深從而得到子斷面內的平均流速和流量， 再將各個子斷面的流量迭加， 即得整個斷面流量。

2ADCP 測流與傳統測流比較

1、ADCP 方法與傳統方法的相同點ADCP 測流與傳統流速儀法的基本原理一樣， 都是將整個測流斷面劃分為許多子斷面(即布設多條垂線)，在每個子斷面中垂線處測量水深并測量多點的流速從而得到垂線(即子斷面)平均流速。

2、ADCP 方法與傳統方法的不同

( 1) 傳統流速儀法是靜態方法， 流速儀是固定的; ADCP 方法是動態方法，ADCP 在隨測量船運動過程中進行測量。

( 2) 傳統流速儀法要求測流斷面垂直于河岸; ADCP 方法不要求測流斷面垂直于河岸， 測船航行的軌跡可以是斜線或曲線， 大大方便了施測作業。

( 3) 一般一個河流斷面只設5～7 個測點， 每個測點測3～5 個不同深度上的流速。常規流速儀是單點式測量儀器， 無論是用什么原理測流， 當它被布放在某一深度層時， 都只能測出該層的流速;而ADCP 在船只航行過程中的采樣率很高， 即可以測到非常多的“ 測點”，而在每個測點上可以測到幾十個不同深度的流速值， 實際上它是用積分的方法求出的， 因此在數據質量上有了很大的提高。

( 4) 傳統的河流測量方法一直沿用測深桿測深， 六分儀(或起點距標志牌)定位， 流速儀(或浮標)測速。手工計算、費工費時、效率低; 而ADCP 測流突破了傳統的以機械轉動為基礎的轉子式傳感流速儀的局限性， 具有可直接測出斷面流速、不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等優點。

3ADCP測流與傳統測流應用實例

本次比測在涪江通口河北川水文站進行，ADCP設備按技術要求安裝在測船上。

1、北川站概況

位于四川北川羌族自治縣曲山鎮茅壩村通口河右岸，集水面積3386Km2，域內河長104Km，至河口距離41Km。測驗河段順直長約300m，中斷面下130m有一彎道，低水為下游灘口控制，中高水為下游彎道控制，流速儀測流斷面形狀“U”型，河床由沙卵石組成，本河段洪水主要由上游暴雨形成，具有匯流歷時短、峰高量大、陡漲陡落的特點。該測流斷面設有12條測速測深垂線。

2、比測方案

ADCP比測主要參數設置：深度單元厚度1m；深度單元個數15-25；

水體發射脈沖次數5；底跟蹤發射脈沖次數4;水體測量模式4。

( 1)流量比測。與流速儀常規測流同步。ADCP測船分別以測流斷面的第1條和第12條垂線分別為起始標志、結束標志，測船盡可能沿著測流斷面線勻速橫渡施測。ADCP測船于常規測法的開始、結束兩個時段來回測驗4次，取4次流量平均值與該次常規流速儀法作比較。

( 2)水深比測。將ADCP測船沿著測流斷面線和斷面上游比較深、水流較為復雜的河段與常規測深儀同步測深。

( 3)定點流速比測。將ADCP測船固定在斷面任一條垂線上，船右邊采用常測法五點法，100s施測流速；船左邊采用ADCP同步采集信息，ADCP在相應測次的開始、結束時各采樣一次，取二次流速平均值與常規流速儀法做比較。比測時按垂線平均流速五個等級采樣， 它們分別為0.00～0.50，0.50～1.00，1.00～1.50，1.50～2.00，2.00～2.50，單位為m/s。

3、資料整理分析

( 1)水深資料。共收集105 個樣本進行統計計算，誤差值是有規律的，均為負值，說明ADCP實測水深系統偏小。為了消除誤差，將不同等級水深的絕對誤差平均值作為改正參數，來修正流量測驗中各條垂線水深。

( 2)定點流速資料。共收集了99 個比測樣本，ADCP軟件采用指數方程來擬合測速垂線的流速分布。為了將系統誤差控制在±1%以內，將常測法垂線平均流速與ADCP法計算出垂線平均流速相除，計算出相對系數，取平均值作為流速改正參數，來修正ADCP測速資料，提高比測成果的精度。

( 3)流量資料。本次比測共收集了45個樣本，并計算測量成果。從表4來看，ADCP實測流量與常規流速儀法相比，有較大誤差，通過利用水深、流速改正參數對ADCP實測資料進行后處理，流量比測精度有大幅度提高，無系統偏差，相對誤差≤±10%，累積頻率達95%以上。

4、綜上所述

通過ADCP與常規方法進行水深、流速、流量等一系列比測試驗，率定有關系數、修正流量值，滿足了精度要求，并且達到了比較目的。

4結語

用ADCP進行流量測驗，采集的數據直接顯示，相當直觀，而且測流歷時短，數據穩定可靠，精度高。操作熟練后，大大縮短了測流時間，減輕了勞動強度，增加了安全性。尤其在寬斷面、大流量的測流中更能體現其快速靈活和實效的特點。

ADCP 測流技術因其測量方法的優越性， 明顯高于傳統測量方法， 是一項革命性的先進技術， 將會得到更為廣泛的應用。

參考文獻

[1] 黃河寧.ADCP 河流流量測量原理和方法[R]，2002.

[2] 姚章民.聲學多普勒水流剖面儀在河流流量測量中的應用[J]. 2002(6).

[3] GB50179-93，河流流量測驗規范[S].

[4]水利電力部水利司.水文測驗手冊[M].北京.水利出版社.1980.

1作者簡介：饒西平（1954.3-），男，四川遂寧，學歷：中專，職稱：中級工程師，研究方向：水文水資源。