走航式ADCP在河道断面测量中的应用

王露叶文王东

走航式ADCP在河道断面测量中的应用

王露叶文王东

ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器，自带的测速、测深、定位功能可直接测出断面的流速剖面，且具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等工作。无线ADCP是把仪器探头装在配套的遥控测量船上，数据通过电台或蓝牙进行传输。测量船从河流断面左岸航行至右岸时，ADCP不仅可实时测出河道流速、流量等信息，也可测出ADCP经过轨迹处的水深。ADCP测出的数据经过改正，可形成河道断面数据。本文所论述的方法相对于传统河道断面测量的方法，最大的优点是操作人员仅需在岸上进行操作，极大降低了水上作业危险性。

一、走航式ADCP测流原理

（1）三维矢量流速：ADCP有3个或4个声换能器，每个换能器既是发射器又是接收器，换能器与轴线成一定倾角（一般为20°），假定水体中颗粒物与水体流速相同，当颗粒物的移动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率高；当颗粒物的移动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频低，根据声学多普勒频移公式，可计算颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）。每个换能器轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度，任意3个换能器轴线即组成一组相独立的空间声束坐标系。同时，ADCP自带罗盘，利用罗盘和倾斜计提供方向和倾斜数据，可将空间声束坐标系下的流速转换为地球坐标系下的三维流速。

（2）定位：ADCP具有水底跟踪模式，同测量三维矢量流速一样，可测出ADCP相对于静止河底的三维速度，从而根据时间，确定ADCP移动的矢量位置，进而进行相对定位。

（3）起点距：假定沿流向河道深度一致，把ADCP的矢量位置按照流向改正到同一断面线上（一般改正到ADCP起点所处的河道断面上），把ADCP实际矢量位置（N，E）改正到ADCP起点所处的河道断面线上（N0，E0），见图1。改正公式如下：

图1 ADCP断面改正示意图

图2 输出ASCII数据文件格式

图3 流速大小等值图

图4 流速航迹合成图

图5 ADCP法与传统法所测河道断面比较图

E0=N0×tg（a+90）

根据改正后的位置（N0，E0）计算至ADCP起点的距离，再加上起始岸边距，得到距起始岸边的距离D：

（4）测深：ADCP的3个或4个声换能器可分别测量水深，假定河底变化较为均匀，对换能器测出的水深进行角度改正后，取部分换能器平均水深可得到ADCP所处位置的水深。

二、数据文件解析

（1）ASCII数据文件格式：ADCP配套的WINRIVER测流原始文件为*r.000，是二进制文件，难以解读，为便于文件查看，利用“输出ASCII数据文件”功能，形成*t.000，格式如图2。

（2）数据格式解读：第3行最后4组数据分别是ADCP4个探头所测水深。第4行第3、4个数据分别是相对于起点的南北、东西的矢量位置。第6行第5，7个数据分别是左、右岸边距。

（3）数据提取：利用VB等编程工具，自动提取水深、矢量位置、左右岸边距、流向、起始岸边等数据。根据公式计算起点距及水深。

三、应用实例

（1）图3、图4为采用ADCP进行河道流量、断面测量的实例，分别为流速大小等值图和流速航迹合成图。

（2）从ADCP的ASCII数据文件中摘录出断面位置及水深信息，对位置进行起点距改正，用水位推求各点的高程，绘制出由ADCP所测断面图，见图4。采用ADCP测量河道断面与传统方法所测数据基本一致，1m以下，ADCP所测河道断面面积与实测河道断面面积的相对误差为1.6%，除左岸相差较大处，其余河底基本一致，最大仅差0.10m。

四、结语

利用ADCP测量河道断面，可满足一般河道断面测量的要求。随着遥控船、无线蓝牙传输等新技术在ADCP中的应用，无线ADCP将使河道断面测量变得更加简单。与传统方法相对，无线ADCP测量河道断面具有以下特点：

（1）操作简单、便捷，岸上即可遥控施测，避免了传统方法水上作业的危险性。

（2）在一些对断面测量要求不高的项目中，特别是通航河道的断面，利用无线ADCP对河道断面进行测量，方便、快捷，测量精度具有一定的保障。

（3）在使用ADCP进行断面测量时要求船速均匀、河底变化相对均匀、左右岸边距测量要准，对于河道断面变化不均匀处，建议用其他测量方法再进行补充

（作者单位：江苏省水文水资源勘测局宿迁分局 223800）

（专栏编辑：顾 梅）