走航式ADCP在利辛水文测区流量测验中的应用

江德武

(安徽省阜阳水文水资源局利辛水文勘测队，安徽 阜阳 236000)

流量测验是水文测区巡测中的一项重要任务,水文测区即水文业务的管理区域,可以按行政分区也可以按水文业务管理分区,水文测区内分布着各类水文监测站点,设立一个管理机构统一管理。利辛水文测区是按行政分区,由利辛水文勘测队负责利辛县区域内的水文业务管理。由于测区内的测点较为分散,传统的流速仪测法测量前期需要大量的准备工作,例如大断面测量﹑基线布设﹑设置标志杆等。实测流量时需布设垂线逐点测量耗时费力,测区多为汛期站点,汛期大水期间各断面河水暴涨巡测任务量大,传统的流速仪测法已不适宜测区的巡测工作。随着水文新技术的发展,水文测验仪器也在日新月异地发展,大量先进仪器已进入应用领域,利辛水文测区也换装了一台先进的测流设备——走航式ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪),它是利用超声波多普勒频移原理与现代技术的融合推出的一款能够对河流流速、流量进行实测的仪器。该仪器在河道断面测量时能在快速获取瞬时流速的同时对河流深度和宽度以及悬浮颗粒的剖面进行测量,与之配套关联的电脑利用ADCP软件即可实时接收仪器采集到的全部数据信息并自动生成河道的断面流量。本文针对提升水文测区巡测的工作效率与测验质量的问题,对先进的ADCP流速仪能在测区的巡测中起到怎样的作用展开了研究,通过ADCP在利辛测区的大量应用,对其性能和效率进行了详细分析。研究表明：该款仪器对测区巡测能起到关键作用,在迅速提高巡测效率的同时使水文测验数据精度得到有效提升。研究成果对该仪器在国内水文测区的推广及进一步的发展具有重要的现实意义。

1 工作原理

ADCP是声学多普勒应用领域的一大突破,被成功应用到水文测验领域，在采集河道流量方面性能突出。它利用换能器在水面下向水体发射声波频率,该声波在遇到水中悬浮颗粒时会产生回波,再由换能器接收该回波。而水中的悬浮颗粒会随流而动,这一特性即为多普勒频移,ADCP就是利用换能器发射与接收声波频率的功能获取频率差取得参数,从而测算水流速度。走航式ADCP在测船行进中进行测量,其测量值包含船速在内,需减去船速才是实际水流流速。所谓船速不是测船行驶速度,而是ADCP利用底跟踪技术,通过持续跟踪测船在水中的位置相对河底的位移速度取得的。ADCP换能器与其轴线成一定夹角,测量的是水流沿声束坐标方向的速度,经罗盘和倾斜仪转化为地理坐标三维流速。假设颗粒物与水流同速,当悬浮颗粒漂向换能器时回波大于发射波。同理,当悬浮颗粒远离换能器时回波小于发射波。两频率差产生多普勒频移[1-4]：

Fd=2FV/C

式中:Fd为多普勒频移，Hz;F为发射频率，Hz;V为颗粒物的速度，km/h;C为声波传递速度,km/h。

2 实际应用

利辛水文测区内有一个国家重要水文站、一个中小河流水文站、4个市界断面及若干临时断面、16个雨量站、15个地下水站、4个墒情站、6个水质站。测区巡测任务重,站点分散,临时断面缺少测流断面资料。走航式ADCP以测量速度快﹑价格适中﹑普及面广﹑能够同时测量流速和断面等优点,相比其他的测流仪器具有较多优势,如电波流速仪和超声波流速仪都需要借助测流断面资料才能计算流量,ADC或无人机测流仪器因价格昂贵等原因尚未普及,因此走航式ADCP成为测区流量测验的首选。

2.1 在阚町闸水文站的应用情况

2.1.1阚町闸水文站概况

阚町闸水文站是利辛水文测区的一个国家重要水文站，是茨淮新河重要控制站。该站位于利辛县阚町闸,辖区集水面积5278km2。上游插花闸距该站约28km,下游上桥闸距该站约72km。

自建站以来各项水文要素特征值如下：

历年极值：最大降水量1604.5mm，最小降水量494.6mm；闸上最高水位26.08m,最低水位18.69m；闸下最高水位25.97m,最低水位河干；最大流量1680m3/s,最小流量为0；最大径流量21.50亿m3,最小径流量1.46亿m3[5]。

多年平均值：降水量950.9mm，闸上水位24.11m，闸下水位部分河干，流量38.2m3/s，径流量9.28亿m3。

2.1.2 走航式ADCP的应用

该站以前采用流速仪法测流,由于测区成立后以巡测为主,传统的流速仪法测流方式耗时费力,现今采用更为先进的以航式ADCP为主的测流方式,由于阚町闸站河面较宽,流量测验期间ADCP采用走航式模式进行流量测验,将ADCP仪器的水下换能器安装在专用的承载体上用测船拖曳着进行测量[6]。当测船从测验断面的起始岸边航行到彼岸边的终点时,与之配套关联的电脑利用ADCP软件即可实时接收仪器采集到的全部数据信息,包括断面深度和宽度、水流速度以及仪器所在位置,该位置是通过底跟踪技术测算出来的。它可以测算出垂直于航线的流速分量,排除了航线对测验精度的影响,在起始点和终点固定的情况下可以采用垂直航线和非垂直航线。流量成果采用来回两次测量的平均值,因此降低了人工驾驶测船产生的航迹误差,大大方便了流量测验作业。

2.2 在测区中小河流站及市界断面的应用情况

利辛水文测区站点分散,巡测任务重,因此，利辛测区流量测验主要采用走航式ADCP。该仪器的采用使得前期的准备工作减少了很多,到达需要测流的河道后,首先寻找可利用的跨河桥梁,找到后将ADCP仪器的水下换能器安装在专用的承载体上拖拽纤绳进行桥测,即可迅速地完成流量测验任务。当中小河流水体由于暴雨或区间较大来量加入时，就会呈现剧烈的水文运动造成河水上涨,此时水体会涌现大量杂质，水质污浊,水面会出现大量的漂浮物。使用ADCP实测流量时,巡测人员可以减少直接与污浊水体的接触,从而保证了测验人员的安全。对初次测量的断面,使用ADCP测量时,在设置测验参数时可以先放宽些,粗略测量一次,得到水深、流速及河底概况等,再根据获取的数据进行分析,重置新的参数,进行一次标准测量。注意船速要小于流速,大水测量时应避开水面漂浮物,只有采取这种方法才能测到精确的流量数据。目前,已面市多款ADCP产品,由于测区的河流大小不一,各水体水质不同,测验时,应根据测区巡测的要求来选择合适的ADCP产品,将断面尽可能布设在流速稳定的位置,尽量避开外界环境的影响,以此提高测验数据的准确性。

3 ADCP在水文测验中的应用分析

通过ADCP在利辛测区的大量应用,积累了较为丰富的实践经验,并分析了该款仪器在水文测验中的优劣和注意事项以及应用前景供后续使用者借鉴。

3.1 ADCP在水文测验应用中的优势

a.测量速度快,能够同时测量流速和断面[7]。

b.可以体现三维流速流向情况。

c.能自动排除外界因素影响,既能评判数据资料,又能鉴别数据质量,在数据处理时能自动剔除不合理的数据以保证测量的精度。

d.ADCP为声波传感器,操作便捷,不干扰水流,适用于流速不小于0.5m/s范围内的中高流速测量。

e.ADCP在进行流速剖面测量时还可以进行悬浮物浓度剖面测量,说明该仪器具有采集输沙率的功能,还可以将其应用于泥沙迁移规律的研究领域。

f.ADCP可以测量卵石间的过隙流量,这是传统测流仪无法测到的,可见其测验成果精确可靠。

g.传统的测量方式总是固定在垂线的位置上逐点测量,ADCP是在测船航行中动态测量。

h.测验用时较少。传统的测验方法需要在某河流断面上布设几条测速垂线,还要在每条垂线上逐点测量,用时较多。而ADCP则是在测船行进的过程中即可完成测验任务,用时较少。

i.断面可灵活布设。传统的测验方式要求断面必须垂直于河岸且以直线方式沿断面布设各条测速垂线[8]。而ADCP测验方式只要求起始点与终点固定,航行轨迹既可以为弧线也可以为曲线,无须为航行做直线标志,可灵活布设断面,大大减轻了测量前的准备工作。

3.2 ADCP测流系统的局限性

a.ADCP测流系统本身的局限性:诸如流速量程、流速剖面深度量程、水温限制、倾斜度限制、水中散射体限制、分层数限制等。

b.被测水体的干扰:诸如风浪过大、水中散射体太少或悬浮物太多,ADCP都无法适应。

c.“活动河底”的影响:在这种情况下,底跟踪测得的船速发生错误,导致水流速度相应出错[9]。

d.河底沉积物较厚的情况下可能丢失底跟踪信号。

e.对测船的要求:ⓐ速度方面,若河床深度陡变,则测船应慢慢地通过该区域,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,以确保底跟踪有效地锁定河底深度;ⓑ最好选用木船,铁船对流向有一定的影响。

f.过往船只对表层流的影响可能导致流量值不太准确,施测断面流量最好选择在过往船只的间隙期,且应偶数次测量取平均值作为结果。

g.ADCP安装位置要合适:ⓐ保证仪器探头工作过程中不出水;ⓑ不要安装在船头或船尾产生大量气泡的地方;ⓒ尽量远离噪声源。

h.ADCP一般不可当作普通的测深仪使用。

3.3 ADCP在水文测验中注意事项

通过ADCP在利辛测区的大量应用,积累了该款仪器在水文测验中应注意的事项供后续使用者参考。

a.在使用ADCP测流时,为取得准确的测验结果,在不同河流的测验断面上,应视其具体情况和测验断面特性,在测流前进行ADCP系统的检测和配置,精确设置仪器参数,否则会出现测验数据不全面或测验精度降低等问题。

b.ADCP是一款声学测量仪,其声波的传递会受到泥沙颗粒含量的影响,为保证测验精度,该仪器应在含沙量不大于10kg/m3的条件下使用。

c.ADCP要求测船的船速不能高于流速,限制了测船的行进速度,一定程度上延长了测验的时间。因此ADCP不太适用于流速较小的河段测验。

d.ADCP的水下换能器采用全封闭式的设计,在发生故障的情况下只有返厂维修;主板很贵无备用,会因故障影响流量测验,因此,要严格按照操作程序使用和管理,确保仪器正常使用。

e.发射信号的电台和配套测量的电脑续电能力不高,遇多个断面连续巡测时会因缺电影响测量。

3.4 ADCP应用前景

ADCP作为一款先进的测流设备,在省时省力快速完成测验任务的同时,使水文测验数据精度得到有效提升,简单易懂的操作方式也是ADCP迅速普及的因素之一。随着该产品的大量实践应用会取得更好的应用成果,届时ADCP将会纳入水文研究领域,将推动ADCP的革新,使测量范围更为全面,数据精度更为准确,随着ADCP功能的完善更新,其应用领域可以扩宽到水利行业的多个方面,其发展前景更加宽广。

4 结 语

通过ADCP在利辛测区的应用方面的分析可知,ADCP是一款先进的声学测量仪器,它具有快速测量流速、流向、水深、河底形状及回波强弱等优势,它不仅适用于水文测验,还适用于泥沙迁移规律的研究领域。ADCP以其快速高效的测验方式和准确可靠的实测资料,极大地促进了水文测验技术的发展进程,提高了水文测验的时效性,为防汛救灾提供了可靠保证。为适应水文测验各项技术要求,ADCP在底沙运动和盲区等问题上仍需进一步完善[10]。但随着ADCP产品不断推陈出新,新的仪器性能日趋完善,为其在水文测验领域的广泛应用打下了坚实的基础。