走航式ADCP用于水文流量測驗的實踐探究

唐衡湘

【摘要】走航式ADCP目前在國內水文流量測試過程中較為先進的儀器。ADCP的出現，不僅僅突破了流量測驗技術的關鍵部分，而且還為測驗水域的含沙量、水域深度以及流動狀態提供了新的簡潔的方式。本文就ADCP測驗技術的基本定義及其使用的必要性結合ADCP的基本原理等對其工作原理和方式進行了探討分析，并分析研究了其在水文測驗項目中的發展前景。

【關鍵詞】ADCP；流量測驗；水文測驗

走航式ADCP是目前世界上對河流流量測驗中較為先進的設備，它在進行防洪減災、堤防工程加固監測等工程中起到了明顯的作用。走航式ADCP測量儀器與傳統測水文流速的方法相比具有很多優點，因此其在我國水文行業已逐漸得到明顯的發展與應用，由于發展時間較短，在使用過程中還存在著許多不足與缺陷，相關方面的技術理論知識匱乏，因此需要進行多次比測試驗已提高其使用的精度，從而積累較多的實踐經驗。根據現階段的應用狀況，我國相關技術人員還需要根據儀器的使用要求，對其進行詳盡的了解和探索，進而能夠掌握使用技巧，熟練的使用該儀器。

1、研究背景

水文測驗過程中，由于受潮汐和不穩定水流的影響，導致流量測驗成為一個難以解決的問題，而流速的多變性使得傳統測驗方式受測流時間限制。為解決這一難題，水文測驗相關的技術人員對其進行了深入全面的研究，直至二十世紀八十年代初，隨著第一臺ADCP測驗儀的面世，使得水文測驗中能更準確的測量流速和流量而不受其他因素的影響成為可能。

我國水利部長江水文局在九十年代初開始了對走航式ADCP儀器的第一次應用，使用儀器對長江流域的感潮河段的流量進行了初次測驗，這是我國國內第一次使用ADCP儀器及首次進行內河的流量流速測驗。

2、走航式ADCP

2.1 走航式ADCP的基本概念。ADCP是指聲學多普勒流速剖面儀，是二十世紀八十年代發展興起的一種流量測驗儀器。ADCP測流儀能夠直接測驗出水域斷面的流速剖面，且具有能夠不擾動流場、測驗周期短、測驗范圍廣等特點，因而被廣泛應用于海洋、河口的流場結構流速流量的測驗等。

2.2 走航式ADCP的作用原理。ADCP是利用多普勒效應的原理來進行流量和流速的測驗。ADCP突破了傳統機械以轉動為基礎的傳感流速儀的局限，運用聲波換能器作傳感器來發射聲脈沖波，然后聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等物體的反射和散射作用，由換能器接收信號，經由多普勒頻移而測出流速。

ADCP流量測驗原理與傳統的人工船測，橋測，涉水測量等方法的基本原理相似，都是基于測流斷面在其上設置多天垂線，在每條垂線處測量水深并測量水的流速從而綜合得到水的平均流速，但不同的是ADCP所測的垂線可以很多，每條垂線上的測驗點也很多。

2.3 數據采集。ADCP儀器采用3個波束測得的多普勒頻移來進行空間速度的計算。其采樣的結果集合了若干個子樣，當聲脈沖波在水域中傳播時，由于水中存在沙粒、微生物等，會將聲波反射回去形成一系列連續不斷的低頻回波，從而被ADCP儀器接收，而ADCP中的換能器的聲束發射裝置裝有接收器和計時裝置，因此能對回波進行計算和處理，最終形成所需要的數據。ADCP會將不同水層的測驗信息存儲在緩存系統中，等到儀器將所有采樣工作完成后，再將所有的測驗結果的數據進行平均處理，最終得到一次采樣集合中不同水層的流速信息，然后對該范圍所得到的數據進行加權平均，從而計算出豎直方向水深范圍單元中心的流速大小和方向。

3、走航式ADCP在應用過程中存在的問題

走航式ADCP儀器的使用雖然在一定程度上提高了水域測量測速的工作效率，增強了水文測驗能力，但在使用過程中還存在著一些不足：在含沙量較高的水域，聲波換能器的回波強度減弱，導致水底的跟蹤與測量水的深度的操作失敗，致使測驗水文的流量流速數據不準；受河床質地及船只材料的影響，在進行流量測驗過程中，不同的河床水域中所含的溶質不同，而聲波換能器所發出的聲脈沖波對不同物質的反射和散射程度不同，這就容易導致換能器收集的數據有所差別，最終影響測驗的結果；ADCP在高含沙量的水域中所采用的“零盲區”技術使用的是低頻系統應用寬帶信號處理專利技術雖然具有較高的穿透力，并且分辨率較好，但其所使用的指數流速分布公式對測試流速精度的影響還有待進一步檢驗；ADCP的“水跟蹤”技術在河底流沙量較多時，會失去作用，導致測驗結果失真。

4、走航式ADCP的優點

4.1 測量時采用動態的方法。相較于傳統的水文測驗過程中測量儀器固定而所采用的靜態方法，ADCP儀器在測量過程中所采用的是動態的方式，其在測驗流速和流量時是隨著測量船的運動過程進行水域的水文測驗。

4.2 使用過程中耗費時間少。傳統的測驗方式只是在一個河流斷面上設置少量的測驗垂線，測試少量的垂點，而ADCP儀器所使用的方法則是隨著測量船運行的過程中同時設立多條垂線并進行不同垂點的測驗，隨著船只的航行，垂線的位置不斷改變，測驗的垂點也隨之變化，因此能夠在短時間內測驗到不同深度不同范圍的采樣值。

5、ADCP測量儀的應用

隨著我國水文工程的發展，ADCP測速技術也蓬勃發展，技術人員對ADCP技術的深入研究與探索實踐使該技術突破了僅對流速和流量測驗的局限，從而越來越多的被應用于對泥沙含量、流動狀態以及水深等方面的測量。

6、結語

走航式ADCP作為一種先進的流量流速測驗技術，因其具有操作簡單、測驗周期短、工作效率高等的優良特性而受到各方技術人員的認可并大力受到推廣使用，對促進水文測驗的發展起到積極的影響作用。但隨著相關技術的發展，水文測驗方面有關的理論知識不斷完善和改進，ADCP技術在使用過程中仍然存在著不足和缺陷，因此，需要科技人員綜合利用理論知識，不斷進行創新與創造，在技術上尋求新的突破，以對其進行更進一步的完善與改進。

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