ADCP及其在水文测验中的应用研究

陈金徐

摘要：随着社会经济的持续发展，我国水利工程走上了快车道，水利技术的发展与科学技术的进步息息相关，水利工程的建设与人们生活、生产活动存在密切联系。结合目前情况来看，我国多项科学技术在水利建设中得到了广泛应用，改善了水利项目的质量。本文以ADCP（英语：Acoustic Doppler Current Profiler）在水文测验中的具体应用为例，对该设备的原理、优势和应用中的优缺点展开探讨，旨在为相关人员提供参考。

关键词：ADCP;水文测验;应用研究

在科学技术支撑下，水文测验中应用到的新设备类型越来越多，技术越来越先进，以ADCP在水文站测验中的应用为例，相比传统测验技术，该技术灵活性更高，应用成本低、操作简单，测量的数据结果全面。但是水下环境变量多，水文测验工作难度大，技术人员要明确ADCP应用中的要点、难点环节才能提高测验数据的精准度，保证ADCP的应用效果。

1、ADCP应用原理和测量方式

ADCP是声学多普勒流速剖面仪（英语：Acoustic Doppler Current Profiler）的缩写，是一种用于测量水速、水流量的水声学流速计。其作用原理与声呐类似，在具体应用过程中依赖声波换能器和声脉冲波测量水流量和流速，ADCP向被测水体环境中发射声波，在水体的作用下声波以散射的方式发出回波信号，当ADCP接收到回波信号之后对相关数据进行分析，利用ADCP的多普勒效应计算出水体中的流速。起初ADCP是RD Instruments公司于19世纪80年代推出的产品系列名称，发展至今已经成为同一类型声学流速计的代名词。在测量水文环境中的水流量和水流速时首先要在测量对象的具体位置处放置并固定好声波换能器，要保证所选位置具代表性，要避免在水流量和水流速超出正常数值处放置声波换能器，以免给测量数据的代表性、完整性造成影响。从声波换能器中发射出一定频率的声脉冲波时候，根据不同频率之间产生的差值就可以计算出所在区域水流速的大小，声脉冲波频率差值的产生是由于声波发射的位置、角度不同。以上是理论性的测量方式的，但是在ADCP实际应用过程中，水体环境中的水流速和水流量是呈动态变化的，ADCP的优势在于可以对动态变化的水体进行实时、动态测量，并不会影响测验数据的准确度，与此同时，为保证测量数据的全面性和精准度，在测验过程中需要ADCP从多角度、多方位、多维度发射声脉冲。通过这种测验方式，可以精准测量河流流速、流量以及断面流速，提高测量结果的全面性，声波换能器的应用可以大大提高测量结果的真实性和可靠性。结合ADCP的实际应用情况来看，其应用优势比较明显，首先体现在ADCP的遥感属性方面，该设备体积小、携带和安装都比较方便且测量范围广，可以大大提高水体环境测量工作的效率，降低测量难度，促进水体环境测量工作的稳步发展。除此以外，ADCP没有活动部件，面对复杂的水体环境也能表现出较强的稳定性，没有活动部件的优势使得ADCP在实际应用时不会受到水下生物的影响，可长时间在水下工作，在动态的水流量和水流速变化中有着极大的应用优势。

2、ADCP在水文测验中的应用

众所周知，水文测验工作具有一定的复杂性、系统性和综合性，水流量、水位、水流速测验过程中受到降雨量、天气变化、地下水流动、地质条件等多方面因素的影响，水体环境中的各项参数指标都是呈现动态变化的，测量数据要保证其及时性才能提高数据精准度和全面性。随着科学技术的持续发展，各类新设备、新工艺、新技术被广泛应用于水文监测、水文流量测验中，以ADCP为代表的设备在水文测验中的应用，可以大大提高了河流测量数据的精准度，该设备测量范围广、体积小、成本低，测验的流速不仅包括主河流流速还可以精准测量靠近河岸两边的水流流速。

2.1明确水文流量目的

ADCP是一种先进的流量监测设备，发展至今在水文环境监测中的应用广泛，应用效果明显，其中包含四个换能器，水文环境比较复杂，ADCP在水文环境测验中有着明显的优势，通过合理、科学应用测得数据可以对河流水体进行有效治理。随着我国社会经济的不断发展，各个行业的生产活动对水环境造成的影响比较大，加强水体环境中流量、流速、水生物的测量可以保证河流周边环境的农业生产，为防洪抗旱工作提供有效的数据支撑。一般情况下，对于中小河流而言，该类河流区域拥有肥沃的土壤，居住着大量居民，河流中的水的情况会对当地居民的生产生活造成直接影响。河流水汽流动灵活性强，天气变化、降雨量、季节变化、地质条件会对河流流速、水位造成较大的影响，利用ADCP测量水流流速、水流量在保障河流周边居民正常生产生活，提高水资源利用率，实现可持续发展等方面有着重要的意义。

2.2优化ADCP技术应用优化

如上文所述，ADCP具有体积小、方便携带、安装简单等特征，在利用ADCP对河流水文及其测验时要根据河流流速以及需要测量的要求确定好安装位置，通过遥感控制ADCP进行声脉发射，在水中发射之后会产生反射，水流流速的变化会对声脉频率产生影响，通过对反射波脉冲和发射脉冲进行对比，利用频率的不同对水体流速进行计算。值得注意的是，在ADCP具体运用过程中可能会出现测验误差，为了提高数据收集分析结果的准确性，必须要明确产生误差的具体原因进行分析，通过对ADCP放置位置、数据接受频率进行调整，以降低测验误差造成的影响，具体来看，ADCP测验误差主要体现在以下几个方面：首先， 在一些含沙量较大的水域进行测量时，受到砂石的影响，声波反射过程中会被吸收一部分，有些距离换能器较近的区域会产生很大的回波强度，对于距离换能器较远的区域，回波强度会下降，上述情况会使得ADCP剖面深度减小，从而对ADCP底跟踪和水深测量误差增加，甚至会出现失效的问题。除此以外，在流量测验过程中，所选取深度单元尺寸如果存在差异也会给最终的测量精准度造成影响，例如，当单元尺寸较小时水流流量、流速测量的分辨率高，在这种情况下可以进行大范围测量，但是精准度会降低。如果单元尺寸选择较大，相应的测量范围会降低，但是测量精准度会明显提升。其次，通过不同的脉冲数据输出可以对流速以及流量的测量精度造成直接影响。一般情况而言，当一些单脉冲的数据在输出时会使ADCP 在单位时间内脉冲采样速率产生一定程度的下降，从而对测量结果的精度造成一定程度的影响。除此之外，当一些多脉冲数据再进行输出时，会使数据处理的时间降低，提高脉冲发射数量。针对不同的误差类型，技术人员在开展水文测验工作时首先要明确产生误差的主要原因，通过适当调整ADCP的发射频率，通过控制频率来降低频率引起的误差。也可以通过调整底跟踪脉冲强度降低推移质造成的误差，总而言之，水文测量工作本身就具有一定的复杂性，测量人员要加强对细节性问题的管控才能提高测量结果的准确性。

3、结语

综上所述，ADCP在水文环境测验中的引用具有明显的优势，针对复杂的水下环境，该设备可以进行动态、实时监测，提高测验数据的及时性、精准性，技术人员要明确该设备的优势和缺点，加强对细节性问题的管理，可以有效降低测验过程中产生的误差，相比其他测量设备来说可以简化测验工序，提高工作效率，为水利工程建设、抗洪防旱工程提供全面、及时的数据支撑。

参考文献：

[1]吴远向，胡文丽.浅析ADCP在中小河流水文测验中的应用[J].科技视界，2013（22）：175.

[2]孔焱.浅议ADCP在中小河流水文測验中的应用[J].电子制作，2013（22）：33.

[3]韦婷婷. 水文监测中ADCP流量测验与误差控制探索[J]. 治淮， 2021（5）：2.