走航式ADCP在水文流量测验中的应用

胡薇

摘要：本文对全国范围内广泛应用的先进测验设备——走航式ADCP进行了详细的介绍。对于走航式ADCP的基本原理进行了阐述。同时对ADCP的独特性以及在水文流量测验中的实际应用情况进行了叙述。

关键词：声学多普勒流速剖面仪；走航式ADCP；水文流量测验；Acoustic Doppler Current Profilers

引言

随着对水文流量测验要求的不断提高，传统的测量方法显示出了极大的局限性，在某些地区已经不能满足现代的测量要求，而走航式ADCP测流法具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大等优点，因此在全国范围内被广泛应用。使用走航式ADCP进行动态测量具有很多传统流量测量时所不具备的优点。

一、ADCP简介

ADCP，其全称为Acoustic Doppler Current Profilers，是指声学多普勒流速剖面仪，是一种测流设备。ADCP是从二十世纪80年代初发展起来的，仅有将近四十年的发展历史，但是近年来由于其应用十分广泛，发展也十分迅速。ADCP的功能强大，不仅可以直接测出断面的流速，而且测量用的时间很短，大大提高了测量效率；同时测量的时候不扰动流场，测量效果精准；同时ADCP的测速范围也较大。ADCP可以进行流场结构、流速、以及流量的测验，广泛应用于河流、湖泊、海洋等的水体流量测验。

二、ADCP的工作原理

ADCP，即声学多普勒流速剖面仪，主要的理论依据为多普勒效应原理。多普勒效应的主要内容是物体辐射出的波长会因为波源和观测者的相对运动发生变化，ADCP正是基于多普勒效应而制作出的测量仪。走航式ADCP主要是通过传感器发射声脉冲波，由于水中有不均匀分布的杂质存在，例如沙子，浮游生物等，声脉冲波会在水中发生反射，通过传感器接收信号，利用多普勒频移即可测出流速。

走航式ADCP的测量原理严格来说与传统的船测、桥测、缆道测量流速仪法是相同的。无论是走航式ADCP还是传统流速仪，都要把测流的断面进一步分成子断面，接着测量子断面上垂线方向上的一个点或者多个点的流速和水的深度。将各个子断面的流量叠加之后就可以计算出整个断面的流量。但走航式ADCP表现出速度快、精度高、省时省力等特点，有着传统流速仪所不可比拟的优越性，下面将对二者的区别进行详细的介绍。

三、走航式ADCP相对于传统测量的不同

传统测量采用的方法是使用流速仪进行测量，但是使用传统的流速仪有很大的局限性，测验时间较长且测量误差较大，同时应用的场合和范围也十分有限。走航式ADCP可以应用于特殊水情的测量，例如大洪水时期，这是传统流速仪所无法测量的。主要的不同有：

（1）走航式ADCP的测量是动态的。动态指的是测量工具可以进行移动。传统流速仪的测量方法中，流速仪是固定在选好的测量点上的。而走航式ADCP则是可以移动的，因此该测量仪可以在测量船移动的时候进行测量。

（2）一台走航式ADCP的测量效果与多台传统流速仪的测量效果相当。也就是说走航式ADCP的测量效率是传统流速仪的数倍。原因在于走航式ADCP的采样速率很高。在子断面的划分上，走航式ADCP可以将断面划分的十分细，因此垂线上的测量点更加密集，测量出的结果也更加准确，因为一台走航式ADCP的垂线上的测量点数量相当于多台传统流速仪的测量点数量。

（3）走航式ADCP不仅测量方法是动态的，同时对于测量船的航行轨迹也没有直线要求，测量船的航行轨迹可以是斜线，甚至可以是曲线。但是传统的流速仪不仅测量点要是固定的，同时要求测流的断面垂直于河岸。因此，走航式ADCP在实际测量的应用中，比传统流速仪更加灵活实用。

（4）在存储方面，ADCP结合了信息时代的先进技术，可以进行联机存储，彻底改变了传统流速仪需要人工手动记录的方式，进入自动化的时代。传统的流速仪需要手工记录、计算、制作结果。但是走航式ADCP可以直接联机存储。机器的运动大大提高了测量的效率，降低了测量的工作量，同时精度上也大大提高，减少了人为因素造成的误差。

（5）ADCP法测流克服了其他方法无法克服的水草影响。传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸，ADCP方法测船的航迹则无这样的要求，可以是斜线或曲线。这样当有水草挡在测流断面上时，测船可以绕过水草，继续测流，而流速仪法则不可以，需要将水草除去.或者待水草流过后再进行测流。

（6）走航式ADBP用作传感器的水下换能器是全封闭的。由于全封闭的结构，虽然在一定程度上减少了故障的发生，但是一旦故障发生，维修的时候将无从着手。因为全封闭的机构只能通过专业的器具进行维修，不能自己自主地维修。而且维修费用昂贵，维修时间较长。因此走航式ADCP的可维护性较差。

四、走航式ADCP在水文流量测验中的应用情况

由于水文现代化建设的需要，以及社会各方面的快速发展，对于水文监测，无论是在精度还是效率方面都有更高的要求，因此走航式ADCP应运而生。同时，大家也在寻找具有更高精度、更高效率、更高频次测量的方法。目前，ADCP作为当前最先进的水文监测设备，已经得到了广泛的应用。ADCP在水文监测中的应用得到了非常好的效果。ADCP可以实现流量的在线监测，掌握和了解流量的動态变化。为水资源配置，水环境保护和防汛抗旱提供实时流量信息，在提高测验的精度，效率和安全性的同时，也大大降低了测验人员的劳动强度。

但是将ADCP应用在测流中的时候仍然需要注意一些问题。

4.1水流含沙量高

由于走航式ADCP是声学设备，因此水流中的含沙量对于走航式ADCP的使用影响很大。当水流中的含沙量很高时，就不适合使用高频率的走航式ADCP，在这种情况下，使用低频率的ADCP比较合适。但是即使使用了低频率的ADCP，测量时仍然有限制，即测量的河流深度不能过浅。如果河流深度较浅，则可以使用窄带ADCP。如果河流的含沙量高，同时深度又过浅，导致无法使用ADCP，可以使用差分GPS和测深仪分别测量船速和水深。

4.2河底存在推移质运动

河底的推移质运动是影响走航式ADCP测量的另一因素。主要影响的是测量结果的准确度。因为形成推移质的河段，都是水速过快，河流底部的泥沙随水迁移而形成的。为了减少河底推移质运动的影响，可以使用GPS测量船速。

4.3深度单元尺寸影响测量精度

由于流速测量时，深度单元尺寸会对垂向分辨率、测量范围、测量精度、剖面深度等参数均造成影响，因此要根据不同的应用场景选择不同的深度单元尺寸。一般来说，单元尺寸越小，流速测量精度就越低。如果水深较大，就采用较大的深度单元尺寸，如果水深较小，就采用较小的单元尺寸。

五、ADCP在水文测验中的注意事项

ADCP操作中，需要对三个较为重要的部件进行保护，分别是蓄电池、换能器、三体船。在进行操作的时候，初学者常常做出在接线连接的时候接错电池正负极的现象。因此操作的时候，一定要严格按照产品上的说明进行操作。如果在测量流量前，为了确保安全，最好使用软件进行自检，合格后再进行测量。同时，由于仪器设置的参数对于测量结果有很大的影响，因此测量的时候可以对参数进行记录并反复进行调整，以期能够达到最优效果。

六、结语

本文对走航式ADCP的原理、应用情况进行了简要的介绍。不仅详细说明了走航式ADCP取代传统流速仪的优势，同时也指出了目前走航式ADCP存在着的许多不足。在未来，针对这些不足的地方，将会有进一步的改进。

参考文献：

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