走航式ADCP在河道斷面測量中的應用

王露葉文王東

走航式ADCP在河道斷面測量中的應用

王露葉文王東

ADCP是一種利用聲學多普勒原理測量水流速度剖面的儀器，自帶的測速、測深、定位功能可直接測出斷面的流速剖面，且具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點，被廣泛用于海洋、河口的流場結構調查、流速和流量測驗等工作。無線ADCP是把儀器探頭裝在配套的遙控測量船上，數據通過電臺或藍牙進行傳輸。測量船從河流斷面左岸航行至右岸時，ADCP不僅可實時測出河道流速、流量等信息，也可測出ADCP經過軌跡處的水深。ADCP測出的數據經過改正，可形成河道斷面數據。本文所論述的方法相對于傳統河道斷面測量的方法，最大的優點是操作人員僅需在岸上進行操作，極大降低了水上作業危險性。

一、走航式ADCP測流原理

（1）三維矢量流速：ADCP有3個或4個聲換能器，每個換能器既是發射器又是接收器，換能器與軸線成一定傾角（一般為20°），假定水體中顆粒物與水體流速相同，當顆粒物的移動方向接近換能器時，換能器聆聽到的回波頻率高；當顆粒物的移動方向背離換能器時，換能器聆聽到的回波頻率比發射波頻低，根據聲學多普勒頻移公式，可計算顆粒物沿聲束方向的移動速度（即沿聲束方向的水流速度）。每個換能器軸線即為一個聲束坐標。每個換能器測量的流速是水流沿其聲束坐標方向的速度，任意3個換能器軸線即組成一組相獨立的空間聲束坐標系。同時，ADCP自帶羅盤，利用羅盤和傾斜計提供方向和傾斜數據，可將空間聲束坐標系下的流速轉換為地球坐標系下的三維流速。

（2）定位：ADCP具有水底跟蹤模式，同測量三維矢量流速一樣，可測出ADCP相對于靜止河底的三維速度，從而根據時間，確定ADCP移動的矢量位置，進而進行相對定位。

（3）起點距：假定沿流向河道深度一致，把ADCP的矢量位置按照流向改正到同一斷面線上（一般改正到ADCP起點所處的河道斷面上），把ADCP實際矢量位置（N，E）改正到ADCP起點所處的河道斷面線上（N0，E0），見圖1。改正公式如下：

圖1 ADCP斷面改正示意圖

圖2 輸出ASCII數據文件格式

圖3 流速大小等值圖

圖4 流速航跡合成圖

圖5 ADCP法與傳統法所測河道斷面比較圖

E0=N0×tg（a+90）

根據改正后的位置（N0，E0）計算至ADCP起點的距離，再加上起始岸邊距，得到距起始岸邊的距離D：

（4）測深：ADCP的3個或4個聲換能器可分別測量水深，假定河底變化較為均勻，對換能器測出的水深進行角度改正后，取部分換能器平均水深可得到ADCP所處位置的水深。

二、數據文件解析

（1）ASCII數據文件格式：ADCP配套的WINRIVER測流原始文件為*r.000，是二進制文件，難以解讀，為便于文件查看，利用“輸出ASCII數據文件”功能，形成*t.000，格式如圖2。

（2）數據格式解讀：第3行最后4組數據分別是ADCP4個探頭所測水深。第4行第3、4個數據分別是相對于起點的南北、東西的矢量位置。第6行第5，7個數據分別是左、右岸邊距。

（3）數據提取：利用VB等編程工具，自動提取水深、矢量位置、左右岸邊距、流向、起始岸邊等數據。根據公式計算起點距及水深。

三、應用實例

（1）圖3、圖4為采用ADCP進行河道流量、斷面測量的實例，分別為流速大小等值圖和流速航跡合成圖。

（2）從ADCP的ASCII數據文件中摘錄出斷面位置及水深信息，對位置進行起點距改正，用水位推求各點的高程，繪制出由ADCP所測斷面圖，見圖4。采用ADCP測量河道斷面與傳統方法所測數據基本一致，1m以下，ADCP所測河道斷面面積與實測河道斷面面積的相對誤差為1.6%，除左岸相差較大處，其余河底基本一致，最大僅差0.10m。

四、結語

利用ADCP測量河道斷面，可滿足一般河道斷面測量的要求。隨著遙控船、無線藍牙傳輸等新技術在ADCP中的應用，無線ADCP將使河道斷面測量變得更加簡單。與傳統方法相對，無線ADCP測量河道斷面具有以下特點：

（1）操作簡單、便捷，岸上即可遙控施測，避免了傳統方法水上作業的危險性。

（2）在一些對斷面測量要求不高的項目中，特別是通航河道的斷面，利用無線ADCP對河道斷面進行測量，方便、快捷，測量精度具有一定的保障。

（3）在使用ADCP進行斷面測量時要求船速均勻、河底變化相對均勻、左右岸邊距測量要準，對于河道斷面變化不均勻處，建議用其他測量方法再進行補充

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局 223800）

（專欄編輯：顧 梅）