ADCP在长江上游河道中的应用

    李秀峰

    摘 要：本文简述了ADCP的测流原理，通过实例描述了ADCP在长江上游河道中的应用情况，分析了ADCP在长江上游河道应用中的问题及处理方式，为ADCP测流系统的应用中提供一定的经验。

    关键词：ADCP；多普勒效应；频移；长江上游；测流

    中图分类号：U612.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）04-0040-02

    ADCP，即Acoustic Doppler Current Profilers，声学多普勒流速剖面仪，是上个世纪八十年代开始发展的一种声学仪器。经过多年的发展和实践，其技术及应用亦越趋成熟。目前ADCP凭借其高效安全，可实时获得直观而全面的成果数据，广泛的应用于各项水文测验中。目前，利用走航式ADCP测流也成为主要的测流测验手段之一。

    1 ADCP测流原理及仪器简介

    1.1 ADCP测流原理

    ADCP，即声学多普勒流速剖面仪，通过测定随水流运动的微小颗粒物的速度而测定水的流速。

    当换能器发出固定频率的脉冲声波，被随着水流运动的微粒物反散射，再被ADCP换能器接收。通过多普勒效应可知，反散射后的声波频率会随着仪器与微粒物的相对位置的改变而改变，其与发射声波的差值就是声学多普勒频移。

    1.2 仪器简介

    长江上游河道狭窄，弯急滩险，水流湍急，流速较快约为3m/s左右，汛期部分河段流速可达4m/s以上，而部分峡谷河段，其深度可达40，50米以上，流量可从枯水时的3000m3/s到汛期20000m3/s以上。所以经过综合考量在上游航道水文测验中使用的ADCP设备主要为美国RDI公司研制的第三代骏马系列的瑞江牌走航式ADCP 600KHz以及300KHz。其波束角为20°，RS232或RS-422串口通讯，重量为7.0kg，精度为 0.25%V+2.5mm/s。

    2 流量测验的实施

    2.1 仪器检校

    2.1.1 仪器电量检校

    工作前应首先检查蓄电池电压是否稳定电量是否充足，保证工作用的笔记本电脑电量充足。

    走航式ADCP测验断面流量，横渡河流的过程必须是一个连续不可中断.如果测验时由于断电等因素造成测验过程中断，就只能返回断面起始点重头开始。所以必须保证仪器设备的电压电量稳定充足，避免中断流量测验，以提高工作效率。

    2.1.2 ADCP的自检

    将ADCP同电脑连接，运行BBTLAK软件，首先设置好串口及通讯参数，再运行 TestWH.rds 命令文件，ADCP即可自动完成测试。测试结果保存在同目录下的WH_TEST文件中。

    使用ADCP前应该运行BBTALK软件进行ADCP自检，保证设备连通性。ADCP不同于其他声学设备的一点是，其在空气发射声波脉冲也不会损坏仪器。所以仪器的自检可以入水前进行，以便及时发现问题，节省工作时间。

    2.2 流量施测

    ADCP自检后即可安装入水，未避免造成ADCP内置磁罗经磁偏角误差，测船应避免选用铁质船壳，所以测验时选择的是玻璃钢材质的快艇。保证ADCP的3#换能器朝向船首，且与测船中轴线平行。

    完成硬件连接后，打开电脑中的测流软件WinRiver v1.05，首先需要输入ADCP的配置参数，如换能器吃水，测船最大船速，断面最大流速，水深单元数，水深单元层高，最大水深等。当测验未知断面时，为了获得准确的断面参数，可对断面预测一次，以获知准确的配置参数。

    当参数无误时，即可点击测流软件WinRiver v1.05菜单栏中的“采集”目录下的“开始发射”。此时测船到达测流断面起始位置时，再点击“开始记录数据”，输入岸边距离即开始测流，当测船匀速到达对岸测流断面终点时，即可点击“停止记录数据”后输入岸边距离结束测量。

    如此往返两个测回后所得的四组数据，取其平均值为此次断面测流的最终成果。

    2.3 流量测验的问题及处理

    （1）流量测验中如发生河底走沙或河床底部悬沙浓度过大，造成ADCP的“底跟踪”失效，ADCP在Btm模式下无法测得船速时， 需要外接GPS，WinRiver测流软件选用GGA模式。若ADCP无法测得准确水深时，还应外接测深仪。如果测船为铁质船壳或换能器旁有其他铁制件等可产生较强磁场干扰时，此时需要进行磁偏角校正，最好可以外接罗经，以减少误差提高精度。若外接GPS，应在测前校正ADCP与GPS的时间 。

    （2）测流时应保证测船速度低于最大流速，且保证船速均匀，以提高保证测得数据均匀分布于测流断面，以提高断面测验精度。

    （3）汛期时部分断面由于水流含沙量大，流速过快，因水位改变产生回水，泡漩等，应该及时改变断面位置，选择河道顺直，水势较好处，并选用频率较低的ADCP。

    3 测验数据整理及分析

    ADCP可以直观的获得测流相关的各项数据，例如每组数据的流速，流向（包括没个单位数据的三维分量）以及每个单位数据的流量；还可以查看每条断面估算的上层流量，底层流量和两岸盲区的流量；测船在横渡过程中的横纵摇数据，船速，航向等；更能直观的显示测得数据中的坏值，能及时发现问题，反应测流成果的可靠性。

    通过WinRiver软件可导出的ASCII数据，表头内容包括用户设置的参数（水深单元尺寸、换能器下盲区长度、吃水、水深单元个数等）；当前剖面的信号数据（时间、姿态、温度）；当前剖面的平均流速分量、测深数据等；跟踪轨迹数据；GPS导航数据；流量信息；水深信息。各水层单元的数据包括当前水层单元的深度、流速值、流向、东向流速、北向流速、垂向流速、误差流速、波束1～波束4的反向散射、好的百分数、流量共13个数据。

    我们通常利用垂线点附近的30组数据计算出在垂线点各对应水深的流速以及测流时取得的断面数据，将其带入传统的计算表格中求取断面的最终流量，并将其作为最终的提交成果。

    上表中DM1为上游断面，DM4为下游断面，DM2与DM2-1，以及DM3同DM3-1，分别为中间两个河心洲的分汊断面。测验总共历时2小时，临时水尺水位变化小于0.1米，所以可以认为测验过程中测区流量没有变化。测验结果可知测流断面的流量互差比值均小于5%。

    通过此次测验可以发现，ADCP系统在工作中具有很高的工作效率，四五百米的测流断面两次往返，四个测回总历时不到30分钟。测得的结果也有较强的可靠性，测区中上下断面流量以及与河流分汊流量的和值，其互差皆在5%的范围内。

    4 总结

    ADCP作为一种自动化，数字化的测流手段，广泛的应用于水文测验当中。凭借其系统的高效，安全，先进可靠的优点，有利的保证了长江上游流量测验工作，提高了工作效率，縮短的了工作时间，降低了在险滩急流环境中的风险，有效提高了长江上游航道建设工作的进展。

    根据ADCP原理还可利用测得位置及回波强度等断面数据，反算水体含沙量等方面还有进一步的拓展空间。对于如何提高ADCP的应用效率，降低盲区，提高成果精度，实现成果数据后处理的自动化等方面，还是以后应用研究的关键。相信随着科技的进步，ADCP 在以后的水文工作中能够向着更高效，简便，智能化，信息化的方向进一步提高。

    参考文献：

    [1]黄河宁博士，ADCP河流流量测验原理和方法，美国亚迪仪器公司 （RD Instruments） 2003

    [2]杜光坤，走航式ADCP在澜沧江流量测验中的应用，气象水文海洋仪器，2006

    [3]冯建军，ADCP原理及数据处理方法，港工技术，2007