走航式ADCP在利辛水文測區流量測驗中的應用

江德武

(安徽省阜陽水文水資源局利辛水文勘測隊，安徽 阜陽 236000)

流量測驗是水文測區巡測中的一項重要任務,水文測區即水文業務的管理區域,可以按行政分區也可以按水文業務管理分區,水文測區內分布著各類水文監測站點,設立一個管理機構統一管理。利辛水文測區是按行政分區,由利辛水文勘測隊負責利辛縣區域內的水文業務管理。由于測區內的測點較為分散,傳統的流速儀測法測量前期需要大量的準備工作,例如大斷面測量﹑基線布設﹑設置標志桿等。實測流量時需布設垂線逐點測量耗時費力,測區多為汛期站點,汛期大水期間各斷面河水暴漲巡測任務量大,傳統的流速儀測法已不適宜測區的巡測工作。隨著水文新技術的發展,水文測驗儀器也在日新月異地發展,大量先進儀器已進入應用領域,利辛水文測區也換裝了一臺先進的測流設備——走航式ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler，聲學多普勒流速剖面儀),它是利用超聲波多普勒頻移原理與現代技術的融合推出的一款能夠對河流流速、流量進行實測的儀器。該儀器在河道斷面測量時能在快速獲取瞬時流速的同時對河流深度和寬度以及懸浮顆粒的剖面進行測量,與之配套關聯的電腦利用ADCP軟件即可實時接收儀器采集到的全部數據信息并自動生成河道的斷面流量。本文針對提升水文測區巡測的工作效率與測驗質量的問題,對先進的ADCP流速儀能在測區的巡測中起到怎樣的作用展開了研究,通過ADCP在利辛測區的大量應用,對其性能和效率進行了詳細分析。研究表明：該款儀器對測區巡測能起到關鍵作用,在迅速提高巡測效率的同時使水文測驗數據精度得到有效提升。研究成果對該儀器在國內水文測區的推廣及進一步的發展具有重要的現實意義。

1 工作原理

ADCP是聲學多普勒應用領域的一大突破,被成功應用到水文測驗領域，在采集河道流量方面性能突出。它利用換能器在水面下向水體發射聲波頻率,該聲波在遇到水中懸浮顆粒時會產生回波,再由換能器接收該回波。而水中的懸浮顆粒會隨流而動,這一特性即為多普勒頻移,ADCP就是利用換能器發射與接收聲波頻率的功能獲取頻率差取得參數,從而測算水流速度。走航式ADCP在測船行進中進行測量,其測量值包含船速在內,需減去船速才是實際水流流速。所謂船速不是測船行駛速度,而是ADCP利用底跟蹤技術,通過持續跟蹤測船在水中的位置相對河底的位移速度取得的。ADCP換能器與其軸線成一定夾角,測量的是水流沿聲束坐標方向的速度,經羅盤和傾斜儀轉化為地理坐標三維流速。假設顆粒物與水流同速,當懸浮顆粒漂向換能器時回波大于發射波。同理,當懸浮顆粒遠離換能器時回波小于發射波。兩頻率差產生多普勒頻移[1-4]：

Fd=2FV/C

式中:Fd為多普勒頻移，Hz;F為發射頻率，Hz;V為顆粒物的速度，km/h;C為聲波傳遞速度,km/h。

2 實際應用

利辛水文測區內有一個國家重要水文站、一個中小河流水文站、4個市界斷面及若干臨時斷面、16個雨量站、15個地下水站、4個墑情站、6個水質站。測區巡測任務重,站點分散,臨時斷面缺少測流斷面資料。走航式ADCP以測量速度快﹑價格適中﹑普及面廣﹑能夠同時測量流速和斷面等優點,相比其他的測流儀器具有較多優勢,如電波流速儀和超聲波流速儀都需要借助測流斷面資料才能計算流量,ADC或無人機測流儀器因價格昂貴等原因尚未普及,因此走航式ADCP成為測區流量測驗的首選。

2.1 在闞町閘水文站的應用情況

2.1.1闞町閘水文站概況

闞町閘水文站是利辛水文測區的一個國家重要水文站，是茨淮新河重要控制站。該站位于利辛縣闞町閘,轄區集水面積5278km2。上游插花閘距該站約28km,下游上橋閘距該站約72km。

自建站以來各項水文要素特征值如下：

歷年極值：最大降水量1604.5mm，最小降水量494.6mm；閘上最高水位26.08m,最低水位18.69m；閘下最高水位25.97m,最低水位河干；最大流量1680m3/s,最小流量為0；最大徑流量21.50億m3,最小徑流量1.46億m3[5]。

多年平均值：降水量950.9mm，閘上水位24.11m，閘下水位部分河干，流量38.2m3/s，徑流量9.28億m3。

2.1.2 走航式ADCP的應用

該站以前采用流速儀法測流,由于測區成立后以巡測為主,傳統的流速儀法測流方式耗時費力,現今采用更為先進的以航式ADCP為主的測流方式,由于闞町閘站河面較寬,流量測驗期間ADCP采用走航式模式進行流量測驗,將ADCP儀器的水下換能器安裝在專用的承載體上用測船拖曳著進行測量[6]。當測船從測驗斷面的起始岸邊航行到彼岸邊的終點時,與之配套關聯的電腦利用ADCP軟件即可實時接收儀器采集到的全部數據信息,包括斷面深度和寬度、水流速度以及儀器所在位置,該位置是通過底跟蹤技術測算出來的。它可以測算出垂直于航線的流速分量,排除了航線對測驗精度的影響,在起始點和終點固定的情況下可以采用垂直航線和非垂直航線。流量成果采用來回兩次測量的平均值,因此降低了人工駕駛測船產生的航跡誤差,大大方便了流量測驗作業。

2.2 在測區中小河流站及市界斷面的應用情況

利辛水文測區站點分散,巡測任務重,因此，利辛測區流量測驗主要采用走航式ADCP。該儀器的采用使得前期的準備工作減少了很多,到達需要測流的河道后,首先尋找可利用的跨河橋梁,找到后將ADCP儀器的水下換能器安裝在專用的承載體上拖拽纖繩進行橋測,即可迅速地完成流量測驗任務。當中小河流水體由于暴雨或區間較大來量加入時，就會呈現劇烈的水文運動造成河水上漲,此時水體會涌現大量雜質，水質污濁,水面會出現大量的漂浮物。使用ADCP實測流量時,巡測人員可以減少直接與污濁水體的接觸,從而保證了測驗人員的安全。對初次測量的斷面,使用ADCP測量時,在設置測驗參數時可以先放寬些,粗略測量一次,得到水深、流速及河底概況等,再根據獲取的數據進行分析,重置新的參數,進行一次標準測量。注意船速要小于流速,大水測量時應避開水面漂浮物,只有采取這種方法才能測到精確的流量數據。目前,已面市多款ADCP產品,由于測區的河流大小不一,各水體水質不同,測驗時,應根據測區巡測的要求來選擇合適的ADCP產品,將斷面盡可能布設在流速穩定的位置,盡量避開外界環境的影響,以此提高測驗數據的準確性。

3 ADCP在水文測驗中的應用分析

通過ADCP在利辛測區的大量應用,積累了較為豐富的實踐經驗,并分析了該款儀器在水文測驗中的優劣和注意事項以及應用前景供后續使用者借鑒。

3.1 ADCP在水文測驗應用中的優勢

a.測量速度快,能夠同時測量流速和斷面[7]。

b.可以體現三維流速流向情況。

c.能自動排除外界因素影響,既能評判數據資料,又能鑒別數據質量,在數據處理時能自動剔除不合理的數據以保證測量的精度。

d.ADCP為聲波傳感器,操作便捷,不干擾水流,適用于流速不小于0.5m/s范圍內的中高流速測量。

e.ADCP在進行流速剖面測量時還可以進行懸浮物濃度剖面測量,說明該儀器具有采集輸沙率的功能,還可以將其應用于泥沙遷移規律的研究領域。

f.ADCP可以測量卵石間的過隙流量,這是傳統測流儀無法測到的,可見其測驗成果精確可靠。

g.傳統的測量方式總是固定在垂線的位置上逐點測量,ADCP是在測船航行中動態測量。

h.測驗用時較少。傳統的測驗方法需要在某河流斷面上布設幾條測速垂線,還要在每條垂線上逐點測量,用時較多。而ADCP則是在測船行進的過程中即可完成測驗任務,用時較少。

i.斷面可靈活布設。傳統的測驗方式要求斷面必須垂直于河岸且以直線方式沿斷面布設各條測速垂線[8]。而ADCP測驗方式只要求起始點與終點固定,航行軌跡既可以為弧線也可以為曲線,無須為航行做直線標志,可靈活布設斷面,大大減輕了測量前的準備工作。

3.2 ADCP測流系統的局限性

a.ADCP測流系統本身的局限性:諸如流速量程、流速剖面深度量程、水溫限制、傾斜度限制、水中散射體限制、分層數限制等。

b.被測水體的干擾:諸如風浪過大、水中散射體太少或懸浮物太多,ADCP都無法適應。

c.“活動河底”的影響:在這種情況下,底跟蹤測得的船速發生錯誤,導致水流速度相應出錯[9]。

d.河底沉積物較厚的情況下可能丟失底跟蹤信號。

e.對測船的要求:?速度方面,若河床深度陡變,則測船應慢慢地通過該區域,越慢越好,宜船速不大于最大流速,尤其要注意不能突然加速,以確保底跟蹤有效地鎖定河底深度;?最好選用木船,鐵船對流向有一定的影響。

f.過往船只對表層流的影響可能導致流量值不太準確,施測斷面流量最好選擇在過往船只的間隙期,且應偶數次測量取平均值作為結果。

g.ADCP安裝位置要合適:?保證儀器探頭工作過程中不出水;?不要安裝在船頭或船尾產生大量氣泡的地方;?盡量遠離噪聲源。

h.ADCP一般不可當作普通的測深儀使用。

3.3 ADCP在水文測驗中注意事項

通過ADCP在利辛測區的大量應用,積累了該款儀器在水文測驗中應注意的事項供后續使用者參考。

a.在使用ADCP測流時,為取得準確的測驗結果,在不同河流的測驗斷面上,應視其具體情況和測驗斷面特性,在測流前進行ADCP系統的檢測和配置,精確設置儀器參數,否則會出現測驗數據不全面或測驗精度降低等問題。

b.ADCP是一款聲學測量儀,其聲波的傳遞會受到泥沙顆粒含量的影響,為保證測驗精度,該儀器應在含沙量不大于10kg/m3的條件下使用。

c.ADCP要求測船的船速不能高于流速,限制了測船的行進速度,一定程度上延長了測驗的時間。因此ADCP不太適用于流速較小的河段測驗。

d.ADCP的水下換能器采用全封閉式的設計,在發生故障的情況下只有返廠維修;主板很貴無備用,會因故障影響流量測驗,因此,要嚴格按照操作程序使用和管理,確保儀器正常使用。

e.發射信號的電臺和配套測量的電腦續電能力不高,遇多個斷面連續巡測時會因缺電影響測量。

3.4 ADCP應用前景

ADCP作為一款先進的測流設備,在省時省力快速完成測驗任務的同時,使水文測驗數據精度得到有效提升,簡單易懂的操作方式也是ADCP迅速普及的因素之一。隨著該產品的大量實踐應用會取得更好的應用成果,屆時ADCP將會納入水文研究領域,將推動ADCP的革新,使測量范圍更為全面,數據精度更為準確,隨著ADCP功能的完善更新,其應用領域可以擴寬到水利行業的多個方面,其發展前景更加寬廣。

4 結 語

通過ADCP在利辛測區的應用方面的分析可知,ADCP是一款先進的聲學測量儀器,它具有快速測量流速、流向、水深、河底形狀及回波強弱等優勢,它不僅適用于水文測驗,還適用于泥沙遷移規律的研究領域。ADCP以其快速高效的測驗方式和準確可靠的實測資料,極大地促進了水文測驗技術的發展進程,提高了水文測驗的時效性,為防汛救災提供了可靠保證。為適應水文測驗各項技術要求,ADCP在底沙運動和盲區等問題上仍需進一步完善[10]。但隨著ADCP產品不斷推陳出新,新的儀器性能日趨完善,為其在水文測驗領域的廣泛應用打下了堅實的基礎。