ADCP在青海某水库水文观测中的应用

摘 要：本文介绍了目前世界上最先进的流量实时测量仪器ADCP（声学多普勒流速剖面仪），并结合青海某水库的实际情况，介绍了固定式ADCP在指定观测点的实时监测和走航式ADCP在测流断面的巡测和流场分析的应用。

关键词：ADCP 水库 水文 应用

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0039-02

水运工程建设的迅速发展给水文测量技术的进步提供了极好的机遇和环境。近几年来，ADCP已经在全国许多地区水文系统得到应用。目前，在青海某水库工程已安装使用了多台不同类型和不同型号的固定式ADCP和走航式ADCP，这些先进仪器，正在发挥其作用，并获得了较满意的效果。

1 总体思路

为了满足该水库的流场检测需要和河道测流的适用性以及现代化流量仪器选型的需要，本项目观测采用声学多普勒水流剖面仪ADCP（以下统称为ADCP）作为测流设备的首选仪器。选用ADCP测流，技术含量高，获得的数据丰富，方便数据分析，为施工提供毕竟详尽的流场关系图，非常适合本项目的技术特点的要求。

ADCP的全名是Acoustic Doppler Current Profilers，即声学多普勒水流剖面仪。它是利用超声波的多普勒频移的物理原理，可以高分辨率测量垂直方向或水平方向水流的瞬时流速，同时还能测量河流深度或河流宽度，从而可以直接计算出河道的断面流量。

ADCP根据不同的测量方式，可以分成走航式和固定式两种[1]。

（1）走航式的ADCP是将仪器的水下换能器垂直固定在船舷边或船头，当船只从某岸航行到彼岸时，即可采集到计算流量所需的全部资料，包括河流深度、水流速度和仪器在河流中的水平位置，该位置是使用底跟踪技术通过对河底速度测量算出的。走航式ADCP的一个突出特点是它能测出垂直于航线的流速分量。流量测量的结果不受选用的航线影响，可以选取垂直航线、斜航线，也可以选取之字形航线，甚至在河流中段绕圈的航线进行测量。采用不同的工作频率和不同的分辨率可以适用于不同的河道流速和不同的河流深度。这种形式的ADCP，其测量范围：流速为0～10 m/s，精度为±1%、±0.5 cm/s；河道深度6～180 m（视不同的型号，不同的工作频率）。

走航式ADCP的最大特点是：①可以不受河宽的限制，当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，即刻测出河流的流量；②适合巡测，可以在不同的河道上使用；③流量的测量精度比固定式高。

走航式ADCP在测量时，作业船航速是影响流量测量精度的重要因素，且可以由测量者控制。航速越低，流量测量误差越小，一般航速可以控制在0.5～1.0 m/s之间。河面越宽、河流流速越大、系统频率越高、系统发射速率越快，其流量的测量误差就越小。一般来说，走航式ADCP适合于水文巡测。

（2）固定式的ADCP有二种测量方式。一种是垂直测量方式：是将仪器的水下换能器垂直向下装在水面下的某一个固定位置，向下发射超声波，或者是将换能器垂直向上装在河底的某一个固定位置，向上发射超声波。测得垂线平均流速，从而推算出断面的平均流量。另一种是水平测量方式：是将仪器的水下换能器水平方向装在水面下的某一个固定位置，面向河道的彼岸水平发射超声波，测得某一段单元长度内的层平均流速，与断面的平均流速建立关系后，再计算出河道断面的瞬时流量。固定式的ADCP，是目前国外推出的新一代流量计，它具有安装容易，操作简便，精度高，价格低，维护方便等优点，测量范围：流速为0～6 m/s，精度为±1%、±5 mm/s，实测的最大水平单元长度在6～120 m左右（视不同的型号，不同的工作频率）。

固定式ADCP的最大特点是：（1）不需要航船，仪器的价格低于走航式ADCP，因此总的投资就相对比较少。（2）它的安装、操作和维护都比较简单易行。（3）仪器可选配超声波水位探头，在测速的同时，直接测量出水位。（4）可以在线实时和自动定时监测流量。一般来说，固定式水平ADCP适合于在线的监测和固定测站断面的流量测验。

2 ADCP在水库中的应用

为了验证ADCP在水库工程的适应性，我单位在实施全面测量前使用定点测流的传统转子式SL-2型流速仪与ADCP定点测量的数据进行了垂直方向流速的详细比对。经过26小时的数据回归分析后，其结论是：二者之间误差小于10%的上线率达到85%以上，符合水文测验规范的要求。

2007年12月，我们采用ADCP在该水库进行了全面的流场关系调查。根据工程建设的需要，我们在水库堤轴线方向和合拢口重点检测的地方布设两条加测断面。

（1）垂线平均流速和平均流向的计算。

首先计算出各测次每个断面上所有实测点的垂线平均流速、平均流向、平面坐标；流向改正为真北方向，真北方位角为实测流向加上磁偏角改正值，垂线平均流速、平均流向用真北角进行计算。然后采用矢量分解合成法，先求出各测点流速东西、南北方向的分量，再根据各分量的垂线平均值进行合成计算，求出垂线平均流速和平均流向。

（2）实测流速上下盲区处理。

由于受仪器发射声波转换时间的限制以及河（海）床对声波干扰的影响，测流时在垂直方向存在测验盲区（如图1所示），所以在每一个微水深剖面（或称流速垂线）上，ADCP流速测验由上下盲区和实测区组成：上盲区靠近水面（表层），其厚度大约为ADCP换能器入水深度、ADCP盲区、以及单元厚度一半之和。下盲区域靠近河底（底层），称为“旁瓣”区（河底对声束的干扰区）。其厚度取决于ADCP声束开角（即换能器与ADCP轴线的夹角）。例如对于声束开角为20°的ADCP，相应的“旁瓣”区厚度大约为水深的6%。

对上、下盲区的流速处理，沿用标准的流速垂直分布数学模型结合实际流场形态，经比测分析得出上、下盲区的流速估算模型。水面和水底的流速皆为根据模型计算得到。水面流速和ADCP实测第一个单元流速之间的关系公式为：

V水面=V1c×ζ

V1c为ADCP在垂直方向所测的第一个单元流速，ζ的值大约在0.98～1.03之间。

水底流速和ADCP实测最后一个单元流速之间的关系公式为：

V水底=VcL×ζ

VcL为ADCP在垂直方向所测最后一个单元流速。

ζ的值与河床特性及测线水深有关，经对大量的比测资料分析，其值在0.79～0.85之间，实际运用时，根据测线水深进行选取，本次采用0.795（图1）。

（3）垂线流速提取。

按照六点法的测验要求，摘录出相对水深为水面、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和水底的流速、流向。由于ADCP采用走航施测，因此各实测流速点位和施测时间皆不正好同步，需对所有实测流速进行改正计算。

（4）测量实施。

在涨落急时，各测一次。共检测三条断面。在测量堤轴线时，遇到施工船舶和渔网，故测量线相北偏移绕开障碍物，同时由于计划测量线的部分区段水深比较浅，已经进入ADCP盲区覆盖范围，所以部分区段不能获得可用的ADCP数据。此区段所占比例不大，基本不影响整体区域的流向分析。具体ADCP测量线见图1。在利用ADCP实施测量时，船速基本控制在5节左右以保证数据的稳定可靠。

全部测量过程采用DGPS实时差分定位系统配合Hypack软件进行导航和数据采集，全数字化成图。数据采集时，保存两种数据格式；另一种为原始的HYPACK MAX格式，一种为原始的ADCP格式（*.001文件格式）。这样的数据记录方法既方便数据编辑又方便数据回放和保存。

ADCP数据采集系统采用随机携带软件“WinRiver”，该软件操作简易，界面美观，以不同颜色来表示不同流速，鼠标指到任何水层均能给出该水层的适时信息，同时，“WinRiver”软件能显示出矢量图和实测流量，每个断面结束时都记录下所有当时设置的参数，事后利用当时的参数可回放（Playback）野外采集的过程及数据，保证了数据采集的完整安全。

在此次测量中我们也同时采用HYPACK MAX软件实施内业处理。利用HYPACK MAX软件后处理后，立刻可以读取各点各层的流速流向。

用这些方法测到的流速数据，换算得到断面平均流速，与SL―2同步测得的层平均流速用回归方法进行分析。通过上述方法的率定，将SL-2的层平均流速与断面平均流速建立回归关系。这些测点的回归关系都比较好，其回归系数都在90%以上。

3 结语

该水库的建设，对青海经济建设的发展影响深远。随着科技的发展与进步，多普勒测流技术的发展和应用，再配合其它辅助手段实现水资源的全面监测，可以较好的解决河口的流量测验问题。多项工程ADCP应用，工程人员已经积累了一定经验，为今后广泛应用ADCP进行水文测验打下了基础。同时ADCP对水质同步监测有积极的影响，使用该方案可为水文监测提高测量精度。随着科技的进步及ADCP的广泛应用，势必加快水文现代化的步伐，为今后水资源管理，为防汛抗旱、合理开发、利用、管理水资源和保护水环境发挥重要作用，促进国民经济建设和社会发展。

参考文献

[1] 席占平，弓增喜，郭相秦，等.ADCP在宽浅河道流量测验中使用小单元尺寸的探讨[J].中国农村水利水电，2006（11）.

[2] 刘建华.ADCP应用于黄河水文测验的探讨[J].中国农村水利水电，2006（7）.

[3] 赵新智.ADCP在浅水低流速区域的应用探讨[J].治淮，2006（10）.

[4] 郑庆涛，林卫文，李上达.走航式ADCP技术在水文测验中的应用探讨[J].Application of the Underway ADCP Technology to the Flood Water Hydrological Measurement.人江，2007（1）.