走航式ADCP之監測質量控制分析

劉志文，戴 琳，吳婷婷

(1. 武漢市水文水資源勘測局，湖北 武漢 430079； 2. 孝感市水文水資源勘測局，湖北 孝感 432100)

ADCP即是“聲學多普勒流速剖面儀”，該設備不僅可高效測量斷面流速，而且監測時不擾動流場，監測成果準確可靠。隨著科技的進步，ADCP的功能不斷完善，適合于中型、水位變幅不大的河道流量測驗。

1 測流原理與特點

1.1 ADCP基本原理

走航式ADCP是利用多普勒效應原理進行的流速測量。采用聲波換能器作為傳感器，換能器發射聲脈沖波，其通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號，使回波信號的頻率與發射的頻率之間產生一個頻差，即多普勒頻移，該設備正是利用多普勒頻移來測量流速[1]。

式中：Fd為聲學多普勒頻率；Fs為發射聲波的頻率；V為顆粒物沿聲波方向的移動速度；C為聲波在水中的傳播速度。

走航式ADCP的測量原理與傳統的流速儀法基本相同[2]，經測定多普勒頻移而測算出測線范圍內若干點流速，采用相關方法計算測線平均流速，通過現場率定獲得率定測線平均流速與斷面平均流速的相關系數，再據現場斷面測量獲取的水位與斷面面積關系計算斷面面積和流量。

1.2 ADCP基本特點

走航式ADCP相較傳統流量測驗手段，其測驗精度與流速儀精測法是相當的，表現出高效、精確、適用的優越特點，正是充分利用了現代信息化技術成果，有力推進了水文自動化監測技術的快速發展。

經分析，走航式ADCP具有以下幾個特點：

1)可以實現巡測為主、駐測為輔的目標，滿足水文測驗方式改革的需要。

2)ADCP為動態測量方式，可在測船運動過程中實施精準測量，使用則更為靈活；而傳統的測量方式多為靜態方式，無論是橋測、水文纜道測流，其設備均要固定于所測垂線上，使用易受外部條件限制。

3)傳統測量方法要求測流斷面垂直于河岸，則ADCP施測不作此要求，且克服了障礙物因素影響，測船可繞過施測；同時，ADCP與換能器(測深)、傳感器(溫度、傾斜、GPS羅經)、電源、數據通訊等儀器都是集成化設計且采用封裝，在一定程度上減少了故障的發生，設備穩定性比較好。

4)ADCP施測具有適用范圍廣、效率高、誤差小等特點，不僅解決了傳統測流需要手工記載、計算、錄入等人為出錯因素的影響，而且解決了測流要素同時采集、圖表自動生成、水邊作業更安全等問題。

2 測驗主要誤差控制分析

走航式ADCP的推廣應用，可為防汛抗旱、水利工程科學調度、水生態環境治理等提供科學可靠的水文信息，但其仍存在著誤差并分析如下。

2.1 系統誤差質量控制

1)水流中的含沙量對ADCP使用影響較大。因ADCP是運用多普勒效應原理，若河流中的泥砂含量偏高，則不能使用高頻率的ADCP測量，應使用低頻率的ADCP；但使用低頻率的ADCP測驗時仍有限制，即測量的河深需≥0.3 m；若河流的含沙量偏高且深度過淺[3]，會導致儀器無法測量，這時可采用差分GPS、測深儀，分別測量船速、水深。

2)河底的推移質運動主要影響測量結果的精度。因形成推移質的河段，往往流速過大，河底的泥沙隨水流遷移而形成的[4]；為減少河底推移質運動的影響，可使用GPS測量船速[4]。3)其他影響因素。對于岸邊形狀、岸邊流量系數可經實地斷面測量和岸邊流速分布試驗，參照規范規定獲取可靠的參數[5]；對于測深測寬設備要進行校準；對于盲區流速要通過分析精準進行插補；當外接差分GPS時，必須進行正確的校準；計算要采用含30個以上脈沖的數據組的均值[6]。

2.2 隨機誤差質量控制

1)正確選擇適當的工作模式。ADCP的工作模式有多種，不同的信號發射與處理形式，會導致其精度也不同。如寬帶模式的流速測量具有范圍寬、剖面深度較大、精度高的優點，但僅適用于大多數正常情況[7]。

2)內羅經校準。走航式ADCP是依據羅經提供的磁方位角與各個聲束多普勒頻移來計算實際航跡，但內羅經提供的實時磁方位角是存在著方向誤差的，故必須校準。

3)采用較小的深度單元。單元尺寸越小，垂線上實測數據點越多,流速垂向分辨率就越高，越接近實際流速分布；同時，全斷面的實測區范圍也相對越大、盲區估算范圍會更小；盲區流速插補須經精準分析，對測深、測寬的設置也需校準。

4)控制測船橫渡速度。若河道較淺、較窄、流速較小，則測船橫渡速度要合理控制(≤平均流速)，這樣施測出來的數據才可靠。

5)測回數與測驗歷時。考慮測驗方向不同會引起的偏差，若進行4個測回(往返兩次)，單個測次歷時不應小于180 s；若進行2個測回(往返各一次)，單個測次歷時不應小于360 s[8]。

3 走航式ADCP測流過程質量控制分析

1)出庫前檢查。為確保走航式ADCP正常運行，必須進行預檢。出庫時對照設備清單，檢查所需攜帶的各種器件是否有遺漏；接通電源，將ADCP與計算機連接，調試無線電臺信號、軟件系統操作是否能正常工作[8]。

2)現場儀器安裝。走航式ADCP一般安裝在非鐵磁三體船的支架上，換能器沒入水中10 cm左右，以保障其不會露出水面或發生空蝕；測流斷面河底有砂粒運動時，應安裝GPS測量船速[6]；測不到最大水深時，應安裝測深儀測深。

3)儀器檢查。ADCP安裝好后，對電纜、電路、信號、羅經、軟件進行檢測，直至全部正常工作為止。

4)設置文件。應依據現場條件、ADCP性能進行參數設置，設置參數要與測流斷面的實情相符，如深度單元尺寸、水跟蹤與底跟蹤脈沖采樣數、盲區、工作模式、換能器入水深度等均要按有關技術標準或規定來設定，以使其所采集的數據質量最佳；在底跟蹤可能失效時，應調整參數進行試測；配置文件應與原始數據文件儲存在計算機的同一個文件目錄內[6]。

5)流量測驗。測流之前，在操作系統上應錄入斷面位置、測量日期等基礎信息，輸入測驗的始終點離河岸距離、岸邊流速系數等數據信息；若每半測回流量值與平均值的偏差大于5%，應具體分析并進行重測處理；斷面流量包括直接測出的部分流量、岸邊流量及兩岸盲區流量。

6)入庫維護。測驗結束后，應按維護要求，用清水沖洗儀器的換能器[6]；供電系統按規定作好保養，野外作業應避免傳感器長時間暴曬；探頭表面有附著物時應及時小心維護，若出現明顯的裂痕或較深的劃痕時，應檢驗是否影響測驗精度；防腐蝕部件腐蝕嚴重時，應更換新的部件；電纜(信號)線破損、漏電時，應立即維修或更換[6]。

7)做好臺帳。每次使用和維護ADCP，應按使用單位有關固定資產管理辦法的要求做好臺帳，便于設備的應用高效和保持儀器測量精準。