Sontek手持式ADV在鹤岗地区水文监测的应用

崔 岩

(黑龙江省水文水资源中心佳木斯分中心，黑龙江 佳木斯 154002)

0 前 言

近年来，随着黑龙江省水文监测的不断加大投入，许多高精密，新仪器设备的水文测量仪器被投入到使用中，在地区水文监测、河流污染治理和防洪减灾中不断发挥作用，这些新技术，新设备和传统的水文测量仪器相比较，具有精度高，携带方便，操作相对简单，数据处理更有优势，在应急测量中发挥着不可替代的作用。在对一些河流进行生态最小流量测量、排污口流量测量和冰期小流量测量时，文章所介绍的由Sontek公司出品的手持式ADVYR-1型声学多普勒流速仪具有非常好的适应性和拓展性，该仪器由Sontek公司研发，专门适用于流量小，适合涉水作业的河道情况进行测量。

1 手持式ADV的性能介绍

适用于鹤岗地区的手持式ADV型号为YR-1型，其感应探头为二维探头，具体由探头、探头电缆线、便携式计算手簿、中文操作键盘、拓展通讯接口和传感器、接收器、及温度传感器组成。该仪器可测最小水深为2cm，流速测量范围0.001-4.5m/s，其分辨率达0.0001m/s，具有十分高的灵敏性。工作环境温度在零下20℃，在冰期能够进行稳定测流。YR-1型手持式ADV示意图，见图1。

图1 YR-1型手持式ADV示意图

探头：能够测量2维不同方向的流速值，并显示合成后的流速及其方向夹角。

探头电缆线：对声波具有特别高的灵敏度，长约200cm，负责向计算手簿传送数据。

便携式计算手簿：计算手簿由内电路板，防水电池电源，中午键盘及液晶显示器组成，具有IPX7级防水，可以经受短时间没入水中，但是不能应用于水下操作。

拓展通讯接口：用于计算机下载数据。

传感器：发送声波脉冲。

接收器：该仪器由两个声波接收器组成二维探头，接收器对于声波及其敏感，从探头设置固定10cm距离，将其聚焦在公共区域。

2 手持式ADV工作原理

ADV(或者称为声学多普勒流速仪)是一个测量单点流速的仪器，无论在高流速还是在低流速条件下，都可以精确测量三维的水流速度。测量流速的采样区域是位于探头顶部一定距离的地方(图2)。探头由两大部分组成，一部分是由一个位于探头顶端中央的专门的发射器，另一部分是安装在臂上的两个或三个接收器。发射器产生成一束狭长的超声波向水中发射；遇到水中的微粒或者“散射物质”(例如悬浮沉积物、水中生物，或者气泡)被反射，由高敏感度的接收器接收。两个或三个接收器轴线的交集处即是采样区域的位置[1]。

图2 ADV传感器结构图

3 流量测量原理

该设备计算流量的原理与传统的转子式流速仪计算方式相同，都是采用流速面积法，选择河道情况较为稳定的河道断面进行测量，设置带有刻度线(明显测量出河道横断面起点距的测量设备，流向应该垂直于该断面，从一侧开始进行测量，同时记录起点距及水深，在每一条垂线上记录ADV探头水下位置和实测流速，测量过程中保证探头x轴是垂直于断面线的，在仪器度数角度及为流向偏角，结果计算中可以采用X轴流速也可记录复合流速。具体见图3。

图3 流速面积法原理图

4 实例测量

在鹤岗地区中小河流测流应用中，我们进行了ADV和流速仪的流速比测应用，比测后数据符合要求，能够应用，在实地合泉村中小河流水文站进行实地测量。合泉水文站位于鹤岗市东方红乡合泉村，是梧桐河一级支流石头河控制站，地处E130°24′31.5″、N47°15′33.8″,防汛服务的目标是东方红乡。石头河是松花江的二级支流，发源于笔架山，由兴山头道沟、二道沟、三道沟、四道沟、五道沟、六道沟等汇流而成，流经矿区中部和南山矿东部与伏尔基河汇合后入梧桐河，流域面积250.0km2，集水面积134 km2，干流河长45.0km。基本水尺断面在宝新公路桥下游10m，公路桥为4跨梁式桥，桥长30m。测验河段顺直长度100m，主槽宽约25m，左右岸均为农田，河槽控制较好。河床主要由细沙卵石组成，水深较浅适用于该设备测流[2]。

开机后进入相应选择菜单，表1显示每种测量方法的设定。在本次测量中，我们选用Mthd 8/2方法，即测量水深后，先从相对水深位置0.8开始测量流速，然后0.2相对位置展开测量，实际操作过程中，由2人协作进行完成，1人负责水中涉水测量，读出计算手簿数以及水深及起点距后，另一人负责记录整理数据。在测量过程中，探头X轴方向摆放位置影响流量结果，建议先用手持式ADV进行试测，查看流向偏角后，调整探头X轴位置或者最后数据整理时加入流向偏角改正。

由于该设备在液晶显示屏上并没有中文提示界面，所以在查看测量结果上对没有英文基础知识的测量人员有困难，在完成测量后屏幕显示RatedQ即为流量结果，Stn为测站编号，Loc为测点位置，Dep为水深(需要我们输入)，其中流向偏角我们可以在Ang一栏上直接读出，Vel即为x轴流速值。

在测得数据后，对仪器测量的数据成果检查和质量控制是很有必要的，作为流速的影响因子，在完成测量工作后应该对以下数据进行检查，以评估流量测量的整体准确度。其评价项目包括：流速标准误差、SNR、界面调整、干扰项分析去噪、流向偏角改正。流速标准误差就是精确测量出来的平均流速数据，其计算过程为每个系列测量流速的标准偏差除以测量流速总数的平方根，每次测验完一个位置流速后，我们应该立即检查该点流速的标准误差，用来判断该点是否需要重新测量；SNR即信噪比，用以评定反射回声波信号相对于仪器周围噪声影响的比值，理论上该值应该>10dB，特别清的水可能影响该仪器的信噪比值从而影响测量结果；界面调整，其实该仪器测量位置流速并不是传感器的实体位置，而是固定在探头顶端10cm的位置，在测量浅水区域时应注意，反射的声波可能会严重影响所测数据，此时应该密切注意观察流速标准误差。在每一次测量完成后应该及时观察干扰项及查看流向偏角。ADV垂线流速测法及说明见图4。

图4 ADV垂线流速测法及说明

在完成测验后，应该对仪器设备进行具体项目检查，其中包括传感器探头清洗检查，电缆线外部检查等，应该用干净的软布蘸水后清洁探头，每次测流结束后应对2维探头进行清水清洗，如若在检查中发现传感器有损坏，应该对结果进行及时复测，用来判断该仪器是否还具有精准度，在涉水测量时应避免计算手簿落入水中，由于该仪器采用IPX7级防水，并不能保证在水下稳定作业。

5 在本地区的应用前景分析

该仪器与传统转子式流速仪相比，能够测量瞬时流速，同时更加方便携带，具有较高的灵敏度和抗干扰能力，当测量天然河道或渠道流速时，能够有效避免水中漂浮物对仪器的影响，感应灵敏、分辨率高、流速测验范围广，不需要像流速仪那样针对不同流速更换型号，摒弃了机械转动测量流速带来的一些列问题，由于该仪器的特点正逐步应用于水文测流过程中，在鹤岗地区排污口污水测量中，有很好的应用，特别是在一些宽浅式渠道中。另外，该仪器在冬季冰期测流中，也有很好的效果，一般传统流速仪在冰期测流中需要开凿较大的并口，往往一次测流过需要耗费1-2h，而采用手持式ADV进行冰期测流，对冰上开凿口的要求就小了很多，耗费的人力物力相对少了很多，并且该设备内部镶嵌了专门应用于冰期测流的程序，大大方便了冰上作业人员的工作。也可以按需要准确测量流速、流向和水温，满足各种类型测量需要，功耗相对较低，内置可充电锂电池。不同探头的形状示意图见图5。

图5 不同探头的形状示意图

6 结 语

手持式ADV测流具有速度快、劳动强度低、数据稳定可靠、精度高等诸多优点，在水深较浅断面较宽且流速范围较大的条件下(天然河流、污水河道、污水排放口和湿地)等场合有较好的适应性,使用手持式ADV是一种理想的选择。其流速适应范围大、时间短和浅水测量是其他传统流速测量无法比拟的。

并且能够有效弥补ADCP在测量中小河流上的不足，声学多普勒流速测量技术已经在我省普及很长一段时间了，在不久的将来，传统流速仪将逐渐地被新设备和新技术所取代，特别是手持式ADV在小河流上的应用，传统流速仪已经不作为主要的测验仪器，仅仅是在每年流速比测时得到应用，综上所述，手持式ADV在以后的中小河流测量当中会有更广泛的应用。