劉志文，戴 琳，吳婷婷

(1. 武漢市水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢 430079； 2. 孝感市水文水資源勘測(cè)局，湖北 孝感 432100)

ADCP即是“聲學(xué)多普勒流速剖面儀”，該設(shè)備不僅可高效測(cè)量斷面流速，而且監(jiān)測(cè)時(shí)不擾動(dòng)流場(chǎng)，監(jiān)測(cè)成果準(zhǔn)確可靠。隨著科技的進(jìn)步，ADCP的功能不斷完善，適合于中型、水位變幅不大的河道流量測(cè)驗(yàn)。

1 測(cè)流原理與特點(diǎn)

1.1 ADCP基本原理

走航式ADCP是利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行的流速測(cè)量。采用聲波換能器作為傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，其通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，使回波信號(hào)的頻率與發(fā)射的頻率之間產(chǎn)生一個(gè)頻差，即多普勒頻移，該設(shè)備正是利用多普勒頻移來測(cè)量流速[1]。

式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻率；Fs為發(fā)射聲波的頻率；V為顆粒物沿聲波方向的移動(dòng)速度；C為聲波在水中的傳播速度。

走航式ADCP的測(cè)量原理與傳統(tǒng)的流速儀法基本相同[2]，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出測(cè)線范圍內(nèi)若干點(diǎn)流速，采用相關(guān)方法計(jì)算測(cè)線平均流速，通過現(xiàn)場(chǎng)率定獲得率定測(cè)線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)系數(shù)，再據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量獲取的水位與斷面面積關(guān)系計(jì)算斷面面積和流量。

1.2 ADCP基本特點(diǎn)

走航式ADCP相較傳統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)手段，其測(cè)驗(yàn)精度與流速儀精測(cè)法是相當(dāng)?shù)模憩F(xiàn)出高效、精確、適用的優(yōu)越特點(diǎn)，正是充分利用了現(xiàn)代信息化技術(shù)成果，有力推進(jìn)了水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展。

經(jīng)分析，走航式ADCP具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)可以實(shí)現(xiàn)巡測(cè)為主、駐測(cè)為輔的目標(biāo)，滿足水文測(cè)驗(yàn)方式改革的需要。

2)ADCP為動(dòng)態(tài)測(cè)量方式，可在測(cè)船運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)施精準(zhǔn)測(cè)量，使用則更為靈活；而傳統(tǒng)的測(cè)量方式多為靜態(tài)方式，無論是橋測(cè)、水文纜道測(cè)流，其設(shè)備均要固定于所測(cè)垂線上，使用易受外部條件限制。

3)傳統(tǒng)測(cè)量方法要求測(cè)流斷面垂直于河岸，則ADCP施測(cè)不作此要求，且克服了障礙物因素影響，測(cè)船可繞過施測(cè)；同時(shí)，ADCP與換能器(測(cè)深)、傳感器(溫度、傾斜、GPS羅經(jīng))、電源、數(shù)據(jù)通訊等儀器都是集成化設(shè)計(jì)且采用封裝，在一定程度上減少了故障的發(fā)生，設(shè)備穩(wěn)定性比較好。

4)ADCP施測(cè)具有適用范圍廣、效率高、誤差小等特點(diǎn)，不僅解決了傳統(tǒng)測(cè)流需要手工記載、計(jì)算、錄入等人為出錯(cuò)因素的影響，而且解決了測(cè)流要素同時(shí)采集、圖表自動(dòng)生成、水邊作業(yè)更安全等問題。

2 測(cè)驗(yàn)主要誤差控制分析

走航式ADCP的推廣應(yīng)用，可為防汛抗旱、水利工程科學(xué)調(diào)度、水生態(tài)環(huán)境治理等提供科學(xué)可靠的水文信息，但其仍存在著誤差并分析如下。

2.1 系統(tǒng)誤差質(zhì)量控制

1)水流中的含沙量對(duì)ADCP使用影響較大。因ADCP是運(yùn)用多普勒效應(yīng)原理，若河流中的泥砂含量偏高，則不能使用高頻率的ADCP測(cè)量，應(yīng)使用低頻率的ADCP；但使用低頻率的ADCP測(cè)驗(yàn)時(shí)仍有限制，即測(cè)量的河深需≥0.3 m；若河流的含沙量偏高且深度過淺[3]，會(huì)導(dǎo)致儀器無法測(cè)量，這時(shí)可采用差分GPS、測(cè)深儀，分別測(cè)量船速、水深。

2)河底的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)主要影響測(cè)量結(jié)果的精度。因形成推移質(zhì)的河段，往往流速過大，河底的泥沙隨水流遷移而形成的[4]；為減少河底推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，可使用GPS測(cè)量船速[4]。3)其他影響因素。對(duì)于岸邊形狀、岸邊流量系數(shù)可經(jīng)實(shí)地?cái)嗝鏈y(cè)量和岸邊流速分布試驗(yàn)，參照規(guī)范規(guī)定獲取可靠的參數(shù)[5]；對(duì)于測(cè)深測(cè)寬設(shè)備要進(jìn)行校準(zhǔn)；對(duì)于盲區(qū)流速要通過分析精準(zhǔn)進(jìn)行插補(bǔ)；當(dāng)外接差分GPS時(shí)，必須進(jìn)行正確的校準(zhǔn)；計(jì)算要采用含30個(gè)以上脈沖的數(shù)據(jù)組的均值[6]。

2.2 隨機(jī)誤差質(zhì)量控制

1)正確選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ?。ADCP的工作模式有多種，不同的信號(hào)發(fā)射與處理形式，會(huì)導(dǎo)致其精度也不同。如寬帶模式的流速測(cè)量具有范圍寬、剖面深度較大、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于大多數(shù)正常情況[7]。

2)內(nèi)羅經(jīng)校準(zhǔn)。走航式ADCP是依據(jù)羅經(jīng)提供的磁方位角與各個(gè)聲束多普勒頻移來計(jì)算實(shí)際航跡，但內(nèi)羅經(jīng)提供的實(shí)時(shí)磁方位角是存在著方向誤差的，故必須校準(zhǔn)。

3)采用較小的深度單元。單元尺寸越小，垂線上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)越多,流速垂向分辨率就越高，越接近實(shí)際流速分布；同時(shí)，全斷面的實(shí)測(cè)區(qū)范圍也相對(duì)越大、盲區(qū)估算范圍會(huì)更小；盲區(qū)流速插補(bǔ)須經(jīng)精準(zhǔn)分析，對(duì)測(cè)深、測(cè)寬的設(shè)置也需校準(zhǔn)。

4)控制測(cè)船橫渡速度。若河道較淺、較窄、流速較小，則測(cè)船橫渡速度要合理控制(≤平均流速)，這樣施測(cè)出來的數(shù)據(jù)才可靠。

5)測(cè)回?cái)?shù)與測(cè)驗(yàn)歷時(shí)?？紤]測(cè)驗(yàn)方向不同會(huì)引起的偏差，若進(jìn)行4個(gè)測(cè)回(往返兩次)，單個(gè)測(cè)次歷時(shí)不應(yīng)小于180 s；若進(jìn)行2個(gè)測(cè)回(往返各一次)，單個(gè)測(cè)次歷時(shí)不應(yīng)小于360 s[8]。

3 走航式ADCP測(cè)流過程質(zhì)量控制分析

1)出庫前檢查。為確保走航式ADCP正常運(yùn)行，必須進(jìn)行預(yù)檢。出庫時(shí)對(duì)照設(shè)備清單，檢查所需攜帶的各種器件是否有遺漏；接通電源，將ADCP與計(jì)算機(jī)連接，調(diào)試無線電臺(tái)信號(hào)、軟件系統(tǒng)操作是否能正常工作[8]。

2)現(xiàn)場(chǎng)儀器安裝。走航式ADCP一般安裝在非鐵磁三體船的支架上，換能器沒入水中10 cm左右，以保障其不會(huì)露出水面或發(fā)生空蝕；測(cè)流斷面河底有砂粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)安裝GPS測(cè)量船速[6]；測(cè)不到最大水深時(shí)，應(yīng)安裝測(cè)深儀測(cè)深。

3)儀器檢查。ADCP安裝好后，對(duì)電纜、電路、信號(hào)、羅經(jīng)、軟件進(jìn)行檢測(cè)，直至全部正常工作為止。

4)設(shè)置文件。應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、ADCP性能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置參數(shù)要與測(cè)流斷面的實(shí)情相符，如深度單元尺寸、水跟蹤與底跟蹤脈沖采樣數(shù)、盲區(qū)、工作模式、換能器入水深度等均要按有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定來設(shè)定，以使其所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳；在底跟蹤可能失效時(shí)，應(yīng)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行試測(cè)；配置文件應(yīng)與原始數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)的同一個(gè)文件目錄內(nèi)[6]。

5)流量測(cè)驗(yàn)。測(cè)流之前，在操作系統(tǒng)上應(yīng)錄入斷面位置、測(cè)量日期等基礎(chǔ)信息，輸入測(cè)驗(yàn)的始終點(diǎn)離河岸距離、岸邊流速系數(shù)等數(shù)據(jù)信息；若每半測(cè)回流量值與平均值的偏差大于5%，應(yīng)具體分析并進(jìn)行重測(cè)處理；斷面流量包括直接測(cè)出的部分流量、岸邊流量及兩岸盲區(qū)流量。

6)入庫維護(hù)。測(cè)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)按維護(hù)要求，用清水沖洗儀器的換能器[6]；供電系統(tǒng)按規(guī)定作好保養(yǎng)，野外作業(yè)應(yīng)避免傳感器長時(shí)間暴曬；探頭表面有附著物時(shí)應(yīng)及時(shí)小心維護(hù)，若出現(xiàn)明顯的裂痕或較深的劃痕時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)是否影響測(cè)驗(yàn)精度；防腐蝕部件腐蝕嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)更換新的部件；電纜(信號(hào))線破損、漏電時(shí)，應(yīng)立即維修或更換[6]。

7)做好臺(tái)帳。每次使用和維護(hù)ADCP，應(yīng)按使用單位有關(guān)固定資產(chǎn)管理辦法的要求做好臺(tái)帳，便于設(shè)備的應(yīng)用高效和保持儀器測(cè)量精準(zhǔn)。