張小路

上海水辰信息科技有限公司 上海 200126

引言

H-ADCP是英文Horizontal Acoustic Doppler Current Profiler的縮寫。中文通常譯為水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀。H-ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)驗(yàn)水流速度剖面的儀器。H-ADCP一般配備有二個(gè)（或四個(gè)）換能器。換能器與軸線成一定夾角。每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射的聲波具有指向性，即聲波能量集中于較窄的方向范圍內(nèi)（稱為聲束，類似于探照燈發(fā)射的光束）。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后聆聽(tīng)被水體中顆粒物散射回來(lái)的聲波。

H-ADCP通常安裝在河流或渠道的岸邊，向水體中發(fā)射超聲波，可以實(shí)時(shí)在線采集高質(zhì)量的流速、水位、流量數(shù)據(jù)。它標(biāo)準(zhǔn)配置高、功能強(qiáng)、適用范圍廣，很容易與RTU集成為自動(dòng)水量遙測(cè)系統(tǒng)（站）。采用Teledyne RDI公司寬帶ADCP專利技術(shù)，高精度、高分辨率；對(duì)于很難測(cè)驗(yàn)的低流速和非恒定流也能獲得高質(zhì)量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)配置超聲波水位計(jì)、壓力水位計(jì)、姿態(tài)傳感器（橫搖、縱搖），4Mb內(nèi)存；直接輸出流速、水位、流量數(shù)據(jù)，易與RTU集成；標(biāo)準(zhǔn)配置128個(gè)用戶可選單元；三種頻率型號(hào)（300KHz,600KHz,1200KHz）可供選擇。

在安裝H-ADCP前期，需結(jié)合H-ADCP設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和水文歷史資料，對(duì)安裝區(qū)域內(nèi)的水下地形進(jìn)行測(cè)量，將數(shù)據(jù)處理成大斷面成果圖、等高線圖等形式，分析和設(shè)計(jì)H-ADCP預(yù)期的安裝高程位置和測(cè)量的范圍距離等，避免出現(xiàn)因設(shè)計(jì)造成的安裝不合理，影響儀器的工作性能。

1 H-ADCP聲道探測(cè)

H-ADCP設(shè)備主要有兩種安裝方式，一種是水平式，一種是垂直（座底）式。本文主要對(duì)600KHZ H-ADCP（標(biāo)稱最大測(cè)量距離為90米，波速水平開(kāi)角為左右20°，垂直開(kāi)角為上下1.5°）水平式安裝時(shí)聲道探測(cè)的方法做具體闡述。

根據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL337-2006）、《感潮河段與瀕海水文測(cè)驗(yàn)及資料整編技術(shù)規(guī)范》（DB31/T 763-2013）及《感潮水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL 732-2015）等相關(guān)規(guī)范規(guī)定，采用H-ADCP軸方向應(yīng)與斷面方向一致，聲束平面的前方，H-ADCP 600KHZ波速水平開(kāi)角一般為左右20°，考慮到旁瓣因素的影響，在左右45°扇形范圍內(nèi)，應(yīng)無(wú)任何遮擋物，水下無(wú)障礙物突起阻礙。剖面長(zhǎng)度和安裝高度的布置，應(yīng)避免聲束遠(yuǎn)端接近水面或者河底[1]。

假設(shè)河道面寬為110米，以H-ADCP軸方向（AJ）為基準(zhǔn)，采用斷面法進(jìn)行聲道探測(cè)，左右20°范圍內(nèi)AEF區(qū)域?yàn)楹诵奶綔y(cè)區(qū)域，里程在K0-040和K0+040之間區(qū)域間隔2米施測(cè)，共需施測(cè)41個(gè)橫斷面。左右20°～45°擴(kuò)展范圍IHGF和BCDE區(qū)域內(nèi)，里程在K0-090～K0-040和K0+040～K0+090之間區(qū)域間隔10米施測(cè)，共需施測(cè)10個(gè)橫斷面。 橫斷面布置示意圖如下：

2 測(cè)驗(yàn)方案

2.1 橫斷面位置確定

利用cad多段線功能和list命令將規(guī)劃好的斷面位置的河岸起止點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出，將所有坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入GPS手薄內(nèi)，到達(dá)測(cè)量河道區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)后利用RTK-CORS進(jìn)行坐標(biāo)放樣，并用油漆進(jìn)行標(biāo)記，確定測(cè)量大斷面位置[2]。

2.2 水深測(cè)量

利用智能測(cè)繪無(wú)人船進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水深及其該水深對(duì)應(yīng)的城建坐標(biāo)測(cè)量，無(wú)人船系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)尾ㄋ贉y(cè)深系統(tǒng)、地面控制基站、接收中繼設(shè)備、智能遙控器、數(shù)據(jù)處理軟件等。測(cè)量前需要進(jìn)行測(cè)深儀的校核，平面控制點(diǎn)使用網(wǎng)絡(luò)GPS RTK 測(cè)量，鏈接SHCORS基準(zhǔn)站，RTK流動(dòng)站手簿內(nèi)置測(cè)區(qū)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，為驗(yàn)證平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)與平面控制點(diǎn)的精度，校核上海市測(cè)繪院GPS控制點(diǎn)，平面坐標(biāo)較差小于限值，以滿足GPS RTK觀測(cè)作業(yè)及點(diǎn)位平面定位精度滿足規(guī)范及本項(xiàng)目平面控制精度要求。采用GNSS RTK配合測(cè)深儀的方式，利用GNSS RTK獲取測(cè)深點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，利用測(cè)深儀同步采集測(cè)深數(shù)據(jù)[3]。

測(cè)量過(guò)程中，由于采用有驗(yàn)潮方式測(cè)量，無(wú)人船在測(cè)量前應(yīng)對(duì)測(cè)深儀換能器入水深度準(zhǔn)確進(jìn)行“動(dòng)吃水”測(cè)定，在測(cè)量中應(yīng)根據(jù)設(shè)定的“動(dòng)吃水”值保持相應(yīng)的測(cè)量航速，如施測(cè)過(guò)程中發(fā)生測(cè)船變速或停頓應(yīng)作記錄并進(jìn)行驗(yàn)核，測(cè)量中設(shè)置偏航距不大于1/200河寬與2米的較大值，此偏航距以外數(shù)據(jù)不記錄，記錄好每次測(cè)量的起始和結(jié)束時(shí)間，數(shù)據(jù)密采方式實(shí)測(cè)，記錄測(cè)深儀每一測(cè)深信號(hào)。

2.3 水位觀測(cè)

如果現(xiàn)場(chǎng)有水文站，每5分鐘觀測(cè)一次水位，用于水下高程的計(jì)算，如無(wú)水位數(shù)據(jù)，需采用四等幾何水準(zhǔn)引測(cè)附近國(guó)家基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程至測(cè)量區(qū)域，設(shè)置臨時(shí)水尺，觀測(cè)并記錄水位[4]。

2.4 陸上域部分測(cè)量

陸上部分采用全站儀、RTK、水準(zhǔn)儀測(cè)量，采用全站儀進(jìn)行高程測(cè)量，視距超過(guò)250m，應(yīng)對(duì)三角高程測(cè)量進(jìn)行曲率改正。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 橫斷面資料處理

從無(wú)人船軟件中導(dǎo)出測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，檢查其平面位置和高程值，剔除粗差點(diǎn)。利用Cass軟件將測(cè)得水下地形高程數(shù)據(jù)和全站儀測(cè)得的陸上部分?jǐn)?shù)據(jù)展繪到CAD圖上，注意無(wú)人船測(cè)得數(shù)據(jù)需要根據(jù)水位和水深數(shù)據(jù)按照時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的高程。按照規(guī)劃的大斷面位置，利用Cass軟件按照水道0.5米間隔和陸上部分1米間隔提取出各個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)高程和城建坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

將處理好大斷面數(shù)據(jù)按照里程K0-090～K0+090編號(hào)分別保存?zhèn)溆?，利用自編軟件，提取各個(gè)大斷面的數(shù)據(jù)，設(shè)置分層情況、橫縱比例尺、0點(diǎn)坐標(biāo)插入點(diǎn)等，生成CAD可以導(dǎo)入的“*.lsp”文件，格式如下[5]：

(command “l(fā)ayer” “new” “l(fā)ayer199905041453-0”“”)

(command “l(fā)ayer” “set” “l(fā)ayer199905041453-0”“”)

(command “text” “r” “16.500000,84.970000”1.000000 0 “K0+000”)

(command “l(fā)ine”

“0.000000,84.250000”

“2.000000,84.200000”

“3.000000,83.950000”

將生成好的“*.lsp”文件加載到事先準(zhǔn)備好的大斷面繪制的網(wǎng)格上。

3.2 等高線制作

按照里程、起點(diǎn)距、高程的順序準(zhǔn)備好的大斷面資料，利用surfer軟件導(dǎo)入“網(wǎng)格數(shù)據(jù)”，如需在實(shí)測(cè)河道上展開(kāi)，還需導(dǎo)入“基底圖”，生成“*.grd”文件，利用“等值線”功能導(dǎo)入“*.grd”文件，設(shè)置好“線條屬性”、“等值線間隔”、“等值線最大值”、“等值線最小值”、“填充色”、“字體”等，自動(dòng)生成等高線圖形。用于查看現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的河道水下地形的情況，方便對(duì)H-ADCP進(jìn)行安裝高程和測(cè)量距離的分析。Surfer軟件制作等高線示意圖和導(dǎo)入surfer軟件大斷面資料格式詳見(jiàn)下圖[6]：

3.3 聲道探測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)4.1生成好的大斷面圖，將H-ADCP放置到相應(yīng)的起點(diǎn)和安裝高程位置（下圖A位置），檢驗(yàn)垂直方向1.5°是否有受到河底影響、是否在歷史最低水位時(shí)聲束會(huì)露出空氣等，水平方向20°內(nèi)是否有淺埂因素影響，示意圖如下[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

H-ADCP前期的聲道探測(cè)非常有必要性，可以避免一些因安裝位置不合理、不符合規(guī)范造成的麻煩，從而影響流量遙測(cè)和比測(cè)率定工作，然而聲道探測(cè)和數(shù)據(jù)分析工作并不能百分百保證儀器安裝后完全沒(méi)有問(wèn)題。需要在安裝前對(duì)河道安裝位置的上下游區(qū)域進(jìn)行排摸和分析，距離測(cè)流斷面5倍河寬且至少200 m的范圍內(nèi)，應(yīng)無(wú)密集或大型的船只拋錨 、停泊、施工和其他因素造成的阻水、斷面壓縮、水流紊亂、流速分布異常等情況，斷面上下游各1 km 范圍內(nèi)無(wú)水文測(cè)驗(yàn)正常作業(yè)和安全生產(chǎn)的影響因素存在。了解引排水的特性、流場(chǎng)情況、歷史水文資料情況等。安裝后還需做一段時(shí)間的跟蹤分析，確定較好的安裝位置和測(cè)量距離。對(duì)于符合安裝條件但聲道探測(cè)情況不夠理想的情況，筆者建議對(duì)河道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行疏浚，確保儀器發(fā)揮最佳性能，為流量遙測(cè)和比測(cè)率定工作打下良好的基礎(chǔ)。