走航式ADCP和传统水文测验的比较分析

刘敬伟,谢运山,刘礼庆,陈　宁,范玉良

(江苏省水文水资源勘测局镇江分局，江苏省镇江市　212028)



走航式ADCP和传统水文测验的比较分析

刘敬伟,谢运山,刘礼庆,陈宁,范玉良

(江苏省水文水资源勘测局镇江分局，江苏省镇江市212028)

摘要：在当前的水文测验工作中，应用走航式ADCP进行流量测验已经较为常见，文章主要对比分析了走航式ADCP与传统的流速仪测验方法、原理以及优劣势。并初略介绍了走航式ADCP的实际应用。关键词：走航式ADCP；流量；测验

0前言

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)全称为声学多普勒流速剖面仪[1]。走航式ADCP作为一个成熟的流量测验新仪器，在当前的水文测验工作中得到了相当多的应用。特别是在突发性水事件、水文应急监测、边界水量巡测、流量测验2套方案、固定式ADCP流量比测、各种江河湖库水文测验以及常规水文测验等多种场合都可以应用走航式ADCP进行流量测验，得到流量结果。与传统的流量测验方法相比，走航式ADCP具有速度快、精度高、效率高、劳动强度小，可以根据需要随时测量河床断面、河流流速、流量、流向等要素，具有较广阔的应用前景[2]。

1走航式ADCP与传统水文测验方法的比较

传统水文测验的方法主要是采用流速仪法进行流量测验，这种方法首先需要进行大断面的测量，根据断面情况进行测深垂线、测速垂线的布设，再根据测速垂线的水深情况确定几点法进行流量测验，最后进行流量成果计算，并依据资料整编规范和年鉴刊印规范进行小数位的取舍等等，过程较为繁琐，计算较为复杂。

走航式ADCP则相对较为简单，只需根据现场情况确定是桥测还是遥控船测量或者缆道测量，桥测一般是利用河道上的已有桥梁，一人站在河岸的一边拉着绳索，另一人利用绳索拉着安装有ADCP小船沿着桥梁匀速向对岸走。 这边拉着小船向对岸走，那边就一边拉着绳索一边向对岸放绳子，直到安装有ADCP的小船到达对岸。遥控船式走航式ADCP则直接用遥控器控制放置ADCP仪器的遥控船，进行流量测量。缆道测量则是将安装有ADCP仪器的三体船悬挂在缆道循环索上，利用测流缆道将船来回测流。这些方法均不需要事先进行大断面的测量，在测量过程中能在外接电脑屏幕上直观地看见流速大小、流向、流量、水深等数据，最终可以直接生成成果表。

而在江河湖库的水文测验项目中采用流速仪进行船测流速流向时，水文绞车则较为笨重，且测量过程中也要注意安全问题，在水深较深、流速较大的情况下劳动强度也大，且需注意水深的倾角改正问题。但若采用走航式ADCP进行流量测量时则既避免了笨重的绞车，也大大减轻了劳动强度，成果精度也高。

同时常规水文测验方法一般采用水文缆道、桥测、船测等方式[3]，在突发水事件或者巡测时没有缆道设施、没有桥梁、没有船时，流速仪法具有较大的局限性，且流速仪法流量测验断面须为垂直于河道的直线断面，若不垂直，则需要进行流量改正。而走航式ADCP的优势则非常明显，遥控船作为走航式ADCP的标配，只要现场不影响遥控船的开行都可以进行流量测验。测量地点不受约束，测量路线也不受约束，非常自由。

2走航式ADCP与传统水文测验原理的比较

传统水文测验的原理为流速面积法，即流量=断面平均流速×过水断面面积。采用近似法推求断面流量，将各过水断面用测深垂线和测速垂线分成若干部分，通过计算各部分的面积乘以断面平均流速得到全断面的流量。所以常规的流速仪法流量测验工作一般包括4个方面的工作，即大断面的测量、垂线的布置、流速的测量、流量的计算等。受限于测验原理，测验方法中也就要求借助于水文缆道、河道上的桥梁或者过河索及船等外在载体。

而走航式ADCP作为新型的测验方法，其基本理论也是流速面积法[4]，只不过分得更细更精确。ADCP利用声学多普勒效应进行测流，一般安装的4个或者3个换能器并具有一定的角度。换能器既是发射器也是接收器，发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP所接收[5]。通过跟踪测得的水中颗粒物的运行速度扣除船的速度(矢量差)后即得到水流的流速。测船速度主要采用底跟踪的方法测得[6]。在测量过程中由于仪器设备的局限性，其存在4个盲区，即表层(换能器上部水域)、底层、左水边、右水边等。这4个小区域的流速计算方法一般通过实测区的数据外延估算得到[7]。

3走航式ADCP与传统水文测验优劣势的比较

3.1数据计算的优劣比较

传统水文测验也在与时俱进，数据处理方法也在更新，如江苏省水文水资源勘测局镇江分局研究的流量实时计算程序就在生产实践中得到应用[8]。该程序可以根据测时水位和实测大断面成果自动计算左右水边与测深测速垂线的起点距，并根据河底高程计算出该测速线是一点法还是两点法，各点法水深是多少。将测速数据输入到程序界面上，可以直接计算出流量等结果，并可生成常测法或者简测法成果表。程序界面见图1。

走航式ADCP流量测验程序操作界面较简单，只需将相关参数设置后即可进行[9]。

在数据的应用处理方面，传统的流量测验结果需要按照资料整编程序的格式进行手工录入，改进后的流量实时计算处理程序可以按照资料整编数据格式直接生成数据文件。走航式ADCP完成流量测验后生成的成果文件不能直接用于资料整编程序，也需要进一步处理后才能应用于资料整编，这一点镇江分局的技术人员已经解决，通过编程将走航式ADCP测验结果与遥测水位、实测大断面成果进行很好地结合，生成水量合成成果和资料整编成果数据文件等[10]。程序界面见图2。

流速流向的数据显示方面，传统水文测验只能依赖于流速流向仪进行流向的测量并利用相关软件如CAD等进行流向数据的图形化显示[11]，而走航式ADCP配套的软件程序则能实时进行流向的图形显示。两者一是需要后处理，一是实时显示。先进的水文测验科技(走航式ADCP)较之传统水文测验有着较大的优越性。

3.2测验环境的优劣比较

(1) 水体的含沙量影响

通常认为常规的流速仪法不受泥沙等影响，但是走航式ADCP测验则与含沙量有一定的影响，特别是仪器型号的选择,如ADCP的系统频率的高低、宽带和窄带的选择等等与含沙量有关。一般来说，含沙量较高会影响底跟踪和水深测量的精度，甚至会失效[4,12]。因此在含沙量较高的河流上一般采用频率较低的ADCP。在ADCP频率较低的情况下，对于水深较浅的河流，宽带又比窄带有优势。

图1　流量测量及计算程序界面图

图2　走航式ADCP数据处理程序界面图

(2) 水深的影响

传统的流速仪测量水深受流速仪转子直径的影响和流速仪悬吊装置的影响，经研究可以适用于水深大于0.1 m以上范围[13]，一般低于0.3 m就不能测量了，ADCP一般最小水深为0.3～0.5 m。

(3) 测验条件

前面已经提过，走航式ADCP一般标配测量船，或者遥控船，不依赖于外界的水文缆道、桥梁等载体，只要流速合适都可以很方便地进行流量测验。适用于野外巡测等工作环境。而传统的流速仪需要依赖于外界的载体才行，比较适用于有固定工作场所的地点，如船只、桥梁、悬索等。

4走航式ADCP在太湖湖西区谏壁抽水站水文测验中的应用

鉴于走航式ADCP众多优

点，其在各种水文测验中都得到了应用，尤其是巡测、应急监测、测站备用测流方案等方面。在镇江水文分局，走航式ADCP普遍应用于边界水量巡测、水文应急监测、突发性水污染事件的水量监测、突发大洪水水量监测、测站备用测洪方案应急预案的首选或者备选流量测验、长江水文测验项目的流量测验等。

2014年5月起谏壁节制闸拆除重建，苏南运河的引排水从谏壁抽水站进出。正常情况下均由谏壁节制闸负责从长江引排水，谏壁抽水站主要承担抽排功能，平时流量测验工作不多。作为太湖湖西区和沿江重要口门，谏壁节制闸拆除重建后，谏壁抽水站从2014年5月开始发挥了重要作用。刚开始进行流量测验时，采用流速仪法进行断面流量测验。但随着引水量加大和引水次数的增多，流速仪法流量测验在时间上花费太多，工作强度较大，人较辛苦，便采用走航式ADCP进行流量测验。经对6月份60测次走航式ADCP流量测验成果和测验情况进行分析，走航式ADCP很实用，精度高、速度快、成果可靠、劳动强度小。一般情况下流速仪法流量测验一次需用时30 min左右，而走航式ADCP测2个测回用时6～8 min。在具体的流量测验中，每次2测回，每半测回流量值与平均值的偏差不能大于5%，对于大于5%的采取增加1个测回，计算实测流量值最接近的连续2个测回的平均值[14]。在流量测验过程中，走航式ADCP显示出了较大的优势，图3即为走航式ADCP流量测验成果表格。

图3　走航式ADCP流量测验表图

5结语

走航式ADCP具有灵活性、测流历时短、劳动强度小、精度高等优点，在巡测和定点流量测验等方面具有不可替代的优势，是未来水文监测的发展方向。同时众多研究走航式ADCP与流速仪法流量测验分析的文章也表明走航式ADCP具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]相文玺,杨锦坤,赵昕. ADCP测量数据深度值的正确解析[J].海洋通报,2012(01):94-96.

[2]贾春泽,左林远,耿倩倩.ADCP在水文测验中的应用[J].山东水利,2010(07):18-19.

[3]高延雄,薛冰.浅析ADCP测流技术及使用中应注意的问题[J].水科学与工程技术,2014(04):58-60.

[4]宋政峰,席占平.走航式ADCP流量测验主要误差来源及其控制[J].水文,2016(01):58-65.

[5]张春海,董晓冰.声学多普勒测流原理及应用研究[J].吉林水利,2013(11):17-19.

[6]王宪宝,柳艳锋.走航式ADCP与流速仪法流量测验对比分析[J].吉林水利,2010(06):81-83.

[7]何华权.声学多普勒流速剖面仪(ADCP)试验观测及应用初探[J].广西水利水电,2013(04):85-88.

[8]谢运山.利用VFP编程实现流速仪法流量计算[J].吉林水利,2010(01):21-24.

[9]刘学勇.走航式ADCP使用方法和注意事项[J].河南水利与南水北调,2015(19):54-55.

[10]刘礼庆,谢运山.基于走航式ADCP流量成果进行水量合成计算[J].人民长江,2015(S1):61-63.

[11]赵德友,王萍,谢运山.VFP和CAD技术在生成流速流向图中的应用[J].西北水电,2015(01):99-102.

[12]周正道.走航式ADCP在流量测验中的应用研究[J].甘肃水利水电技术,2012(12):1-3.

[13]李长江.流速仪法测流最小水深计算公式推导[J].水文，2010(02):76-79.

[14]中华人民共和国水利部.SL 337-2006 声学多普勒流量测验规范[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

Comparison and Analysis of vessel-mounted ADCP and Conventional Hydrological Measurement

LIU Jingwei, XIE Yunshan, LIU Liqing, CHEN Ning, FAN Yuliang

(Zhenjiang Branch, Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Bureau, Zhenjiang, Jiangsu212028，China)

Abstract:The vessel-mounted ADCP applied for discharge measurement is common in hydrological measurement currently. In the paper, method, principle and advantage & disadvantage of the vessel-mounted ADCP and the conventional current meter are compared and analyzed. The practical application of the vessel-mounted ADCP is introduced primarily. Key words: vessel-mounted ADCP; discharge; measurement

文章编号：1006—2610(2016)03—0009—04

收稿日期：2015-09-29

作者简介：刘敬伟(1981- )，男，江苏省句容市人，工程师，主要从事水文测验、资料整编等方面的研究工作.

通讯作者：谢运山(1974- )，男，江苏省高邮市人，高级工程师，主要从事水文站网、基本建设及程序设计等方面的研究工作.

中图分类号：P335

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.002