走航式ADCP,在水文测区流量测验中的应用

张彩鑫

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

走航式ADCP 在水文测区流量测验中的应用范围广泛，应用技巧与方式多样化。在计算平均流速和流量时，要想得出更加精准的数据，就要考虑不同区域的水流情况，适当调整计算公式。通常来说，水文测区流量测验是根据水流断面上分布的垂线位置的侧点进行计算的，当水流断面形成多个小断面时，还可以针对不同的断面分别进行测量，再取平均值，最终得出更加可靠的数据。

1.1 走航式ADCP 基本原理

走航式ADCP 指的是利用声学多普勒流速剖面的原理来高效测量断面流速的一种方式，其包括走航式ADCP 换能器、计算机应用软件系统、外接设备、传感器等组成部分，其中外接设备包括线杆、侧杆、固定杆等，这些重要的器件共同构成了一个完整的检测系统，走航式ADCP 架构如图1 所示。

图1 走航式ADCP 架构

走航式ADCP 的具体工作流程如下：ADCP 换能器在经过换能转换之后会形成声波脉冲，这些声波脉冲随着水流的运动，会使得其中的悬浮物质产生多普勒平移，进而发生多普勒变化，变化产生应答信号，并向外输出有效的信息[1]。不过ADCP 主要测量的是在水流层面当中的三维流速及其具体的流向，这些由悬浮颗粒形成的回波也可以再次反馈给ADCP 换能器和被接收器，产生的颗粒运动就会形成特定的多普勒平移。根据这些平移获得声波频率，进而计算出相应的频率参数，可以获得更加精准的水流速度。在实际测量时还要考虑到船只行驶的速度，通过运算公式得到更加精确的水流流速。除此之外，也可以采用其他的传感器接收由水波中的杂质颗粒形成的反馈信号。

1.2 走航式ADCP 基本特点

走航式ADCP 具有动态化的特点，可以根据实际情况动态调整测量方式。测量方式通常以巡测为主，驻测为辅。为了获得更加精准的测量数据，通常需要根据实际的水文情况、流速大小、地势情况、地理气候等因素，调整测量的方案和具体的参数[2]。

传统的测量方式下，测探器容易受到河流当中的杂物、石头、树木等障碍物的影响，而走航式ADCP则可以更好地克服障碍物的因素。走航式ADCP 中的测探器、传感器可以发挥较大的正向作用，使得走航式ADCP 具备集成化的特性，可以有效躲避障碍，具备较强的稳固性。由于走航式ADCP 利用了更加精准的测算技巧和计算方式，误差比较小，适用于大多数的水文测区流量测验，解决了传统测量方式存在的弊端，具备智能化、高效率的特点，有利于节省人力物力。同时，走航式ADCP 也具备更高的安全性能，可以有效避免一些安全隐患[3]。

2.1 灵活性

走航式ADCP 采取的测量方法灵活多变，可以根据水文测区流域的实际情况以及船只的移动轨迹动态规划方法和路线。相较于传统方式而言，走航式ADCP 不需要采用固定的流速仪也可以随着行船的变化进行移动，不仅可以测量船只的直线速度，还可以测量水文测区内部船只以及其他物体的流动速度，并且能够动态化地改变测量的时间和方式。

2.2 存储性能强

走航式ADCP 的存储性能比较强，其采用了先进的网络信息技术，相较于传统的人工存储记录方式，这种先进的存储方式能够有效地节省时间，减少人力的投入，为整体的水文测区流量测验项目减少成本。

2.3 抗干扰能力强

走航式ADCP 具备较强的抗干扰能力，除非面临难以克服的环境灾害，在大多数情况下，走航式ADCP 都能够在水文测区流量测验的过程中全方位地发挥其效能，实现良好的测速效果。目前，多地都开始利用走航式ADCP 解决水文测区流量测验中的各项干扰问题，实现更强的防汛抗旱效果，为水环境保护工程提供更精准的实时流量信息[4]。

3.1 测站概况

某水文站位于反调节水库下游约2.8 km 处，距离河口870 km2，集水面积为69.46 万km2。该站设立于2007 年5 月，是反调节水库的出库站，2008 年10月水利部批复为国家基本水文站，是国家重要水文站。该站测验河段顺直段为卵石复式河床，常年比较稳定。河道属于卵石河床，断面稳定，全年长期含沙量为0。除了调水调沙期间以外，大部分时间河道流量小于2000 m3/s，断面稳定，含沙量为0，非常适合ADCP 流量测验。

近年来，该水文站测验河段多次出现水草茂盛期，使用流速仪进行流量测验时，需要不断清除流速仪上缠绕的水草，不仅延长了测流时间，影响了测验精度，还增加了工作强度。而ADCP 可以在短时间内精准而迅速地进行测流，因此需要在水流平稳的时候，使用ADCP 与流速仪测流，并进行比测分析，寻找该站适合使用ADCP 的条件，推广ADCP 在该站水文测验中的应用。

3.2 比测方案

3.2.1 比测仪器

主要使用LS25-3 型流速仪、“瑞江”牌河流型宽带ADCP 进行测量。

（1）LS25-3 型流速仪。LS25-3 型是一种大量程的流速仪，用于河道、水电站压力管道、溢洪道、大坝工程合拢的高速测量，以及水库、湖泊和一般河流的中、低速测量。

（2）“瑞江”牌河流型宽带ADCP。“瑞江”牌河流型宽带ADCP 是当前在水文行业推广的一种新型测流仪器，该仪器利用声学多普勒原理测量水流速度剖面，具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大等优点。

“瑞江”牌河流型宽带ADCP 的4 个探头可以发射不同频率的波束信号，信号接收按波束独立处理，并转换成波束相对速度，在断面水草茂盛的河段内，由于探头不与水草直接接触以及声波波束的穿透性，ADCP 流速测量受水草的影响大幅降低。

3.2.2 比测时间

比测时间为 2019 年 7—8 月、2020 年和 2021 年平水期，尽可能选择受水草影响较小的情况下进行比测实验。

3.2.3 取得比测资料

本次比测实验取得31 个ADCP 实测数据和流速仪法水位-流量样本作为试验分析资料。

3.3 数据分析

根据实测资料，流速仪法水位-流量关系曲线如图2 所示，ADCP 法水位-流量关系曲线如图3所示。

图2 流速仪法水位-流量关系曲线

图3 ADCP 法水位-流量关系曲线

对ADCP 法和流速仪法测验的水位-流量关系曲线进行合理性检验：流速仪法的水位-流量关系曲线的标准差为4.81%，随机不确定度为9.62%；
ADCP法的水位-流量关系曲线的标准差为1.08%，随机不确定度为2.16%。均满足《水文资料整编规范》（SL 247—2012）中关于水位-流量关系定线指标的要求[5]。

3.4 成果对比分析

3.4.1 误差分析

参考《水文资料整编规范》（SL 247—2012）中水位-流量关系曲线定线要求：“75%以上的高水位点据与平均线的偏差不超过±5%，75%的低水位点据与平均线的偏差不超过±8%”，本文中ADCP 法与流速仪法水位-流量关系曲线定线合理。

3.4.2 误差来源分析

产生误差较大的主要原因是：在一次测流时间内，由于受水库调节影响，水位变化幅度较大。ADCP测验时历时较短，一般为20 min，受水位变化影响较小；
而流速仪测验历时较长，一般为90 min，受水位变化影响较大，二者无法做到完全同步，从而造成测验结果误差较大。

经计算分析，4000 m3/s 流量级以下、含沙量为0时，ADCP 和流速仪实测成果相关关系良好，具有一定的适用性。

在水文测区流量测验过程中，走航式ADCP 应用的注意事项大致有以下4 个方面。

（1）在利用走航式ADCP 测量流速的时候，需要提前对走航式ADCP 及其运行效率进行检测，确保走航式ADCP 具备较强的可用性与稳定性。在调节设备参数后，仍然可以更精准地进行测量，保证其不会出现参数测量不准确的情况。

（2）由于走航式ADCP 属于声学测量仪，会受到声波传递的影响，需要考虑的外界因素较多，对外界条件的要求往往会比较严苛。例如，最常见的干扰因素就是由于泥沙含量过高而导致的声波干扰现象，过多的泥沙会阻碍水下换能器获取对应的多普勒声学声波，进而导致无法进行接下来各项步骤的测算。所以在执行走航式ADCP 操作之前要对相应的参数进行更合理的测算，保证走航式ADCP 各项流程的顺利进行。

（3）为了将误差控制在更低的范围内，要准确检验走航式ADCP 测验过程中的限制因素，考虑其运行到河底的推移运动，这种运动会对测量结果的精度造成很大的影响。在对盲区的水流区域进行流速测试时，还需要安装特定的仪器设备，采取更加精确的测量方式，一般来说在对接更加复杂的水文地段时，可以采用含有30 个以上脉冲的数据值来求取平均值，最终得到更为精准的数据。

（4）在使用走航式ADCP 时，应具备风险预判意识，降低安全隐患的发生概率。例如，当处于暴雨或者其他恶劣天气下，水文运动会受到较大的影响，发生河水上涨、风急浪大、泥石流等情况，在水流内部还可能会涌现出较多的杂物，导致仪器设备损坏。为了保障走航式ADCP 的稳定性与安全性，技术人员需要进一步预防各类风险，同时根据所在地的天气因素及时终止测验，在条件合适的情况下再进行下一步的测量，通过测试各个位置的水文测区流量情况，找到最为稳定的区域，避开不利因素的干扰。

综上所述，走航式ADCP 主要包括走航式ADCP换能器、计算机应用软件系统、传感设备等组成部分，利用声学多普勒流速剖面的原理来高效测量断面流速，测量水流层面三维流速以及流向。本文通过对某水文站4000 m3/s 流量级以下、含沙量为0 时的流速仪法和ADCP 法流量测验的对比分析，建立了两者的相关关系，并对误差进行分析，其结果均满足规范要求，这表明ADCP 可以在该水文站投入使用。总体来说，ADCP 测验方法快捷可靠，能够获取较为准确的实测数据，在水文测验技术的发展方面起到了推动作用，为防洪减灾工作提供可靠的保障。

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