蘇笑曦

（寧夏唐徠渠管理處 寧夏 銀川 750001）

寧夏引黃灌區(qū)歷年來在流量信息采集方面一直沿用著傳統(tǒng)的流速儀測流和建筑物測流方法。隨著電子科技高速發(fā)展，聲學(xué)多普勒測流技術(shù)的發(fā)明并投入到流量測驗領(lǐng)域是流量測驗的一次革命，這些儀器是近年來國際上流行的一種新型測流儀器（分為：走航式ADCP和固定式ADCP）。根據(jù)其工作原理，通常譯為“聲學(xué)多普勒流速剖面儀”(Acoustic－聲學(xué)、Doppler－多普勒、Current－流速、Profiler－剖面儀,)簡稱ADCP。

由于ADCP是由計算機(jī)控制操作，具有操作便捷、測驗時間短、分辨率高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠精度好、資料完整、信息量大等特點，特別適合于流態(tài)復(fù)雜條件下的測驗，與傳統(tǒng)的流速儀相比具有更高的測驗效率，是目前世界上最為先進(jìn)的河流流速流量實時測流設(shè)備。近兩年在唐徠渠測流探索應(yīng)用中與傳統(tǒng)流速儀測流進(jìn)行了對比，為此對ADCP的應(yīng)用談一點粗淺的認(rèn)識。

1 ADCP測流系統(tǒng)的組成及聲學(xué)多普勒原理

ADCP測流系統(tǒng)主要由ADCP流速剖面儀及測船、換能器（4個探頭）、計算機(jī)操作軟件系統(tǒng)及連接設(shè)備等3個主要部分組成。其中計算機(jī)操作軟件由Winriver軟件和自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件組成，Winriver軟件主要用于采集數(shù)據(jù)，自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件對Winriver軟件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析和整理得到流量、流速、流向、水深、水溫、坐標(biāo)等信息。

從理論上講，用ADCP進(jìn)行流量測量的原理與傳統(tǒng)測量方法的原理是相同的，都是在測流斷面上測出多條垂線的水深和流速，從而計算出流量。ADCP配有四個換能器，換能器與ADCP軸線成一定夾角，每個換能器既是發(fā)射器又是接收器，換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物反射回來的聲波。ADCP相當(dāng)于在每個子斷面內(nèi)各測量垂線上有多個流速儀同時測速、測深，從而得到了斷面的平均流速和流量，然后疊加得到整個斷面流量。

2 ADCP與傳統(tǒng)流速儀的比較

2.1 流速測量比較

傳統(tǒng)流速儀是單點式測量儀器，無論是用什么原理測流，當(dāng)它被布放在某一深度層時，都只能測出該層的流速。ADCP是一種“剖面儀”，該儀器的特點是測速范圍大，在水面上（換能器入水深度0.05m），它能測出該儀器所處位置的垂直剖面，即多個測點，應(yīng)該稱之為多點測量（即剖面）儀器。據(jù)資料查閱，在一個垂直剖面上最大的測點數(shù)可達(dá)128個，因此，布設(shè)一臺ADCP成果相當(dāng)于使用多臺（可多達(dá)128臺）單點測流儀。

2.2 流量測量比較

傳統(tǒng)流速儀測量方法是在測流斷面上布設(shè)多條垂線，在垂線處測量水深以獲得斷面面積，繼而再用流速儀測量單點或是多點的流速，計算得垂線平均流速，進(jìn)而獲得斷面平均流速。該方法的流量由斷面面積乘以斷面平均流速得到。這種傳統(tǒng)方法費工費時，效率低。ADCP測流時，ADCP裝在測船上，當(dāng)測船從測流斷面一側(cè)航行至另一側(cè)時，ADCP即刻就能測出流速剖面和流量，測驗耗時少，效率高。

2.3 測點數(shù)比較

傳統(tǒng)流速儀測流中的“測點”數(shù)有限，一般一個測流斷面只設(shè)5條～12條測線，每條測線測出1個～3個不同深度上的流速。ADCP則在測船航行過程中的采樣率很高，即可以測到非常多的“測點”，而在每個“測點”上可以測到幾十個不同深度的流速值，實際上它是用積分的方法求出的，因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量上保證率較高。

2.4 測流斷面比較

傳統(tǒng)流速儀測流時要求流速儀垂直于測流斷面。ADCP與測流斷面的關(guān)系不作要求，測船航行的軌跡可以是斜線或曲線，機(jī)動靈活，這大大地方便了施測作業(yè)。

2.5 測流歷時比較

以二農(nóng)場渠口測流為例（測點已布設(shè)），傳統(tǒng)流速儀一個測次需30min～40min才能得出一個流量值。ADCP據(jù)美國地理調(diào)查局規(guī)定，每個流量值至少要進(jìn)行4個測次（即兩個來回，在4次測量中任一一個數(shù)值與平均值之差均小于5%），僅需15min～20min，并能在數(shù)據(jù)整理中將偏差值標(biāo)示，精度和自動化程度較高。

3 影響ADCP測流精度的原因分析

使用ADCP在唐徠渠干支渠流量測驗中，主要校測了有多年測量資料的測流斷面流量，如三棵樹、王家灣子、良田渠、大新渠、新橋、八一橋、二農(nóng)場渠口、分水閘、暖泉渠、公路橋等；經(jīng)過整理比較、分析數(shù)據(jù)，ADCP測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。ADCP屬精密儀器，操作規(guī)范要求高，如使用時換能器不能碰在硬物上、不能長期受太陽光照射、亦不能長時間浸泡于水中；不足的是ADCP是固定的，小流量渠道測量時操作不便，而且箱體笨重也不易攜帶。結(jié)合測流過程和整理數(shù)據(jù)，直觀的認(rèn)為影響ADCP測流精度有以下幾方面原因。

3.1 受水流流速的影響

如果水流速快、水面有波浪，換能器有可能露出水面和發(fā)生空蝕，影響數(shù)據(jù)采集，測量過程間斷；再就是發(fā)生ADCP傾翻的現(xiàn)象，如在新橋測流，當(dāng)時水位2.56m，最大流速1.65m/s，ADCP被操控到渠中心時，有兩次被水流沖擊晃動至傾翻，致使測流中斷。

3.2 受船速的影響

船速越慢，精度越高，一般船速不超過水流最大速度。特別是起步時船速一定要平穩(wěn)，不能突然加速或讓ADCP來回晃動，這一點猶如開汽車起步時不能顫動。在實際操作中經(jīng)常會遇到，特別是水流速度較小時，對提高精度尤為重要。

3.3 受岸邊距的影響

由于作業(yè)船不能緊靠岸邊測驗，ADCP不能測出近岸邊的流速和流量，開始及結(jié)束測量的岸邊，船需停留片刻，以便獲得用于計算岸邊流量的10個有效數(shù)據(jù)。岸邊距大小的控制，對ADCP采集10個有效數(shù)據(jù)至關(guān)重要，岸邊距過大，岸邊流量的推算就存在一定的偏差；岸邊距過小，采集不夠10個有效數(shù)據(jù)，需要測船反向移動，不僅影響ADCP正常測流，對岸邊流量的推算也有一定的影響。而我們在測流過程中岸邊距大多是目測或用鋼尺測量，偏差是不可避免的。

3.4 受渠床條件的影響

渠道襯砌與否也直接影響著測流結(jié)果，如在暖泉渠測流時，分別在測流斷面處（襯砌）和斷面下游（渠坡長有雜草）測量，同一水位測得兩個結(jié)果（見圖1、2）。

3.5 受動底和水流條件的影響

渠床內(nèi)有流沙或滾石的地方或產(chǎn)生渦流時，數(shù)據(jù)采集中就會出現(xiàn)空白段，此處的流速需通過測區(qū)數(shù)據(jù)外延來估算，致使測量精度降低。如在四號橋上游的兩次測量，水位（分水閘）0.58m；水位1.61m（見圖 3、4）。

4 ADCP在渠道流量測驗的應(yīng)用前景

運行Window軟件的ADCP操作十分方便，在測量的過程中，流速、流向、流量、渠道斷面等參數(shù)清晰地在計算機(jī)屏幕上顯示出來，非常直觀；同時實測數(shù)據(jù)都儲存在計算機(jī)中，可以進(jìn)行各種必要的后處理作業(yè)。由于ADCP提供的水位～流量關(guān)系數(shù)據(jù)可靠、成果代表性高，自動化程度高，這將大大提高水量計量精度，減輕職工勞動強(qiáng)度，提高工作效率，但其價格昂貴，或可將其申報列入灌區(qū)續(xù)建配套或水權(quán)轉(zhuǎn)換項目得以解決。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀，對于流量測驗工作來說，確實是一項革命性的先進(jìn)技術(shù)，相信在不久的將來，它會在寧夏引黃灌區(qū)獲得十分廣泛的應(yīng)用。陜西水利