ADCP 基本原理及比測試驗

趙勝凱

河北省石家莊水文水資源勘測局

流速儀施測流量的測量成果可以作為率定或校核其他測流方法的標準。ADCP 是目前世界上比較先進的河流流量實時測量設備，為加快石家莊水文現代化建設，近年來河北省石家莊水文水資源勘測局先后引進3 臺走航式ADCP 測流設備。為了率定ADCP 與流速儀測流折算系數，在2008年南水北調京石段應急供水期間，利用石津渠測流斷面對走航式ADCP 測流與流速儀精測法測流進行了比測試驗，并對取得的換算系數進行了水文檢驗。通過對參數修正，提高了該儀器測驗精度，達到正式應用的目的。

ADCP 是 英 文“Acoustic Doppler Current Profiler”的縮寫，中文譯為聲學多普勒流速剖面儀。ADCP 是當今測流儀器中先進設備的代表，專門用于河流、水渠或狹窄海峽的流量測量工作，該儀器性能穩定，是一種快速、有效的測流設備。當安裝有該設備的測船從河流某斷面一側岸邊運行至另一側岸邊時，就能實時測出并顯示該河流的流量、水深及斷面面積，與傳統的流速儀側法比較省時、省力，效率大大提高。

ADCP 基本原理及流量計算

基本原理

我局ADCP 配有換能器四個，ADCP 軸線與換能器成一固定角度，四個換能器既發射信號又接收信號，換能器發射的是聲波脈沖信號。這些聲波脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運動的微粒后產生反射波，換能器接收并記錄發射波與反射波之間的頻率改變，這個頻率改變即稱多普勒頻移，可據此計算出水流相對于ADCP 的速度。同時，還向河底發射底跟蹤聲波脈沖，測出ADCP 安裝平臺（測船）的運動速度以及水深，然后將水流相對速度扣除船速得到水流的絕對速度。聲學多普勒頻移，即發射聲波頻率與回波頻率之差由下式確定：

式中：Fd為聲學多普勒頻移；F 為換能器發射頻率；V 為水體懸浮顆粒沿聲波方向的移動速度（即同聲波方向一致的流度）；C 為聲波在水中的傳播速度。2 為系數，因為ADCP 的換能器既發射聲波束又接收回波，所以多普勒頻移要加倍。

比測試驗

本次比測試驗的比測斷面位于石津干渠向南水北調總干渠分水口前150m，該斷面為漿砌石斷面，無沖於變化。ADCP 設備按技術要求安裝在三體船上，利用纜道拉動測船進行流量測驗，在同一斷面，同一纜道進行流速儀精測法流量測驗。

參數設置

本次比測試驗，根據測驗河段的實際情況對ADCP進行了參數配置，以使其達到最佳的流量測驗成果。

比測時ADCP 主要設置參數如下：

測試單元深度：10cm；

測試單元數量：30 層；

水體發射脈沖次數：5；

底跟蹤發射脈沖次數：4；

水體含鹽度：0.0 ppt；

比測時流量測驗模式：wm1。

流速儀采用LS25-1 型，在整個斷面布設9 條垂線，每條垂線布設3 個測點。

流量比測

安裝有ADCP 的測船固定在跨河道的纜道上沿著測流斷面線勻速運行進行測量。從左岸開始進行測量到右岸結束，再從右岸開始測量到左岸結束，這一個往返為一個測次。一個測流過程為兩個測次，四個來回。然后利用ADCP 程序計算出4 次流量的平均值和流速儀精測法計算出的流量進行比較。

流速儀精測法使用同一纜道，沿同一斷面進行測量。在斷面上布設9 條垂線，每條垂線上布置3 個測點，共計27 個測點，然后根據水文規范要求計算出流量與ADCP 進行比測。

面積比測

此斷面為人工漿砌石斷面，表面較光滑，無沖淤變化，用流速儀法測流時，斷面面積采用實測大斷面成果計算。用走航式ADCP 測流時人工輸入左右岸水邊距離，其余斷面數據均由儀器實測，然后將結果進行比較。

資料整理分析

根據石津渠站34 次對比觀測實驗資料計算出流量平均相關系數為0.93、斷面面積平均相關系數為1.01、平均流速平均相關系數為0.92。以ADCP 實測流量值為橫坐標，以流速儀實測流量值為縱坐標，建立相關關系。比測實驗流量計算成果見表1，流量關系式為。

表1 石津渠站比測試驗流量計算成果

為了檢查流量相關關系正確性，要對相關關系曲線進行符號檢驗、適線檢驗、偏離系數檢驗和定線經度計算。

符號檢驗

式中：μ 為統計量；n 為測點總數；k 為正號或負號個數。

適線檢驗

式中：μ 為統計量；n 為測點總數；k 為變換符號次數，k＜0.5(n-1)時作檢驗，否則不作此檢驗。

偏離數值檢驗

標準差

式中：se為實測點標準差；iQ 為第i 次實測水面蒸發量；Qci為與第i次實測值相對應的關系曲線上的水面蒸發量；n 為測點總數。

三種檢驗和標準差計算結果見表2，計算誤差均在要求范圍之內。

表2 走航式ADCP 與流速儀流量比測實驗三種檢驗及標準差計算結果

斷面面積測量偏差：用流速儀法測流時，斷面面積采用實測大斷面成果計算，數據可靠。用走航式ADCP 測流時人工輸入左右岸水邊距離，其余斷面數據均由儀器實測，走航式ADCP 測流時有盲區，因此實測面積偏小。經計算，多次平均相關系數為1.01，系數偏小0.05%。

斷面平均流速測量偏差：用流速儀法測流時，每個測點流速100s，基本消除了流速脈動的影響，而用走航式ADCP 測流時的流速是瞬時流速，受脈動影響較大。走航式ADCP 測流時實測斷面平均流速偏大。經計算，多次相關系數為0.92，系統偏大15.3%。

在斷面面積測量偏差和斷面平均流速測量偏差綜合影響下，走航式ADCP 流量成果與流速儀精測法流量成果的折算系數為0.93。

結語

通過走航式ADCP 與流速儀精測法流量比測試驗，二者換算系數為0.93，造成走航式ADCP 流量成果偏大的主要原因是斷面平均流量測量偏差，斷面面積測量偏差影響較小。經過修正之后的流量均值滿足水文測驗的精度要求。