走航式ADCP用于水文流量测验的实践探究

唐衡湘

【摘要】走航式ADCP目前在国内水文流量测试过程中较为先进的仪器。ADCP的出现，不仅仅突破了流量测验技术的关键部分，而且还为测验水域的含沙量、水域深度以及流动状态提供了新的简洁的方式。本文就ADCP测验技术的基本定义及其使用的必要性结合ADCP的基本原理等对其工作原理和方式进行了探讨分析，并分析研究了其在水文测验项目中的发展前景。

【关键词】ADCP；流量测验；水文测验

走航式ADCP是目前世界上对河流流量测验中较为先进的设备，它在进行防洪减灾、堤防工程加固监测等工程中起到了明显的作用。走航式ADCP测量仪器与传统测水文流速的方法相比具有很多优点，因此其在我国水文行业已逐渐得到明显的发展与应用，由于发展时间较短，在使用过程中还存在着许多不足与缺陷，相关方面的技术理论知识匮乏，因此需要进行多次比测试验已提高其使用的精度，从而积累较多的实践经验。根据现阶段的应用状况，我国相关技术人员还需要根据仪器的使用要求，对其进行详尽的了解和探索，进而能够掌握使用技巧，熟练的使用该仪器。

1、研究背景

水文测验过程中，由于受潮汐和不稳定水流的影响，导致流量测验成为一个难以解决的问题，而流速的多变性使得传统测验方式受测流时间限制。为解决这一难题，水文测验相关的技术人员对其进行了深入全面的研究，直至二十世纪八十年代初，随着第一台ADCP测验仪的面世，使得水文测验中能更准确的测量流速和流量而不受其他因素的影响成为可能。

我国水利部长江水文局在九十年代初开始了对走航式ADCP仪器的第一次应用，使用仪器对长江流域的感潮河段的流量进行了初次测验，这是我国国内第一次使用ADCP仪器及首次进行内河的流量流速测验。

2、走航式ADCP

2.1 走航式ADCP的基本概念。ADCP是指声学多普勒流速剖面仪，是二十世纪八十年代发展兴起的一种流量测验仪器。ADCP测流仪能够直接测验出水域断面的流速剖面，且具有能够不扰动流场、测验周期短、测验范围广等特点，因而被广泛应用于海洋、河口的流场结构流速流量的测验等。

2.2 走航式ADCP的作用原理。ADCP是利用多普勒效应的原理来进行流量和流速的测验。ADCP突破了传统机械以转动为基础的传感流速仪的局限，运用声波换能器作传感器来发射声脉冲波，然后声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等物体的反射和散射作用，由换能器接收信号，经由多普勒频移而测出流速。

ADCP流量测验原理与传统的人工船测，桥测，涉水测量等方法的基本原理相似，都是基于测流断面在其上设置多天垂线，在每条垂线处测量水深并测量水的流速从而综合得到水的平均流速，但不同的是ADCP所测的垂线可以很多，每条垂线上的测验点也很多。

2.3 数据采集。ADCP仪器采用3个波束测得的多普勒频移来进行空间速度的计算。其采样的结果集合了若干个子样，当声脉冲波在水域中传播时，由于水中存在沙粒、微生物等，会将声波反射回去形成一系列连续不断的低频回波，从而被ADCP仪器接收，而ADCP中的换能器的声束发射装置装有接收器和计时装置，因此能对回波进行计算和处理，最终形成所需要的数据。ADCP会将不同水层的测验信息存储在缓存系统中，等到仪器将所有采樣工作完成后，再将所有的测验结果的数据进行平均处理，最终得到一次采样集合中不同水层的流速信息，然后对该范围所得到的数据进行加权平均，从而计算出竖直方向水深范围单元中心的流速大小和方向。

3、走航式ADCP在应用过程中存在的问题

走航式ADCP仪器的使用虽然在一定程度上提高了水域测量测速的工作效率，增强了水文测验能力，但在使用过程中还存在着一些不足：在含沙量较高的水域，声波换能器的回波强度减弱，导致水底的跟踪与测量水的深度的操作失败，致使测验水文的流量流速数据不准；受河床质地及船只材料的影响，在进行流量测验过程中，不同的河床水域中所含的溶质不同，而声波换能器所发出的声脉冲波对不同物质的反射和散射程度不同，这就容易导致换能器收集的数据有所差别，最终影响测验的结果；ADCP在高含沙量的水域中所采用的“零盲区”技术使用的是低频系统应用宽带信号处理专利技术虽然具有较高的穿透力，并且分辨率较好，但其所使用的指数流速分布公式对测试流速精度的影响还有待进一步检验；ADCP的“水跟踪”技术在河底流沙量较多时，会失去作用，导致测验结果失真。

4、走航式ADCP的优点

4.1 测量时采用动态的方法。相较于传统的水文测验过程中测量仪器固定而所采用的静态方法，ADCP仪器在测量过程中所采用的是动态的方式，其在测验流速和流量时是随着测量船的运动过程进行水域的水文测验。

4.2 使用过程中耗费时间少。传统的测验方式只是在一个河流断面上设置少量的测验垂线，测试少量的垂点，而ADCP仪器所使用的方法则是随着测量船运行的过程中同时设立多条垂线并进行不同垂点的测验，随着船只的航行，垂线的位置不断改变，测验的垂点也随之变化，因此能够在短时间内测验到不同深度不同范围的采样值。

5、ADCP测量仪的应用

随着我国水文工程的发展，ADCP测速技术也蓬勃发展，技术人员对ADCP技术的深入研究与探索实践使该技术突破了仅对流速和流量测验的局限，从而越来越多的被应用于对泥沙含量、流动状态以及水深等方面的测量。

6、结语

走航式ADCP作为一种先进的流量流速测验技术，因其具有操作简单、测验周期短、工作效率高等的优良特性而受到各方技术人员的认可并大力受到推广使用，对促进水文测验的发展起到积极的影响作用。但随着相关技术的发展，水文测验方面有关的理论知识不断完善和改进，ADCP技术在使用过程中仍然存在着不足和缺陷，因此，需要科技人员综合利用理论知识，不断进行创新与创造，在技术上寻求新的突破，以对其进行更进一步的完善与改进。

参考文献：

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