趙小寧

（河北省石家莊水文勘測(cè)研究中心，河北 石家莊 050051）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，簡(jiǎn)稱ADCP），在河流平均水深不超過2 m、單元高度在10 cm 左右時(shí)，具有較高的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。當(dāng)水文中存在著流沙、磁場(chǎng)以及河床不確定等相關(guān)因素時(shí)，ADCP 流量測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確性會(huì)受到一定的影響。這時(shí)需要采用牽引設(shè)備監(jiān)測(cè)，測(cè)量過程中還需要注意斷面參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 走航式ADCP 安裝、流量測(cè)量原理

1.1 走航式ADCP 安裝

1.1.1 儀器簡(jiǎn)介

走航式ADCP 是當(dāng)前水文行業(yè)使用的一種新型高科技測(cè)流儀器，同傳統(tǒng)的流速儀相比，具有測(cè)流歷時(shí)短、精度高、資料完整、流量結(jié)果直接顯示等特點(diǎn)。走航式ADCP 是一款適用于淺水河流應(yīng)用的智能全自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于淺水河流環(huán)境的5 波束ADCP，4 個(gè)測(cè)流速波束、1 個(gè)測(cè)斷面水深波束，通過走航進(jìn)行檢測(cè)。

1.1.2 儀器安置

按照示意圖進(jìn)行儀器和測(cè)桿安裝，需要注意的是3 號(hào)波束應(yīng)當(dāng)與船頭方向保持一致，ADCP 插上插頭時(shí)需要涂抹硅脂，插入后需要將鎖圈進(jìn)行上鎖，拔插頭前需要將鎖圈松開。電纜的出線需要通過線卡來進(jìn)行固定，利用扎帶固定在測(cè)桿后引到船上。采用12 V電源，對(duì)正負(fù)極進(jìn)行確認(rèn)，杜絕接反的情況發(fā)生，另外的插頭與計(jì)算機(jī)串口連接。ADCP 安裝見圖1。

圖1 ADCP 安裝示意圖（單位：mm）

1.1.3 儀器自檢

儀器安裝妥當(dāng)后進(jìn)行ADCP 檢測(cè)、BBTALK 軟件運(yùn)行的檢查，每天工作前都應(yīng)當(dāng)按照提示進(jìn)行操作：對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置；對(duì)ADCP 進(jìn)行WH 選型；將波特率設(shè)置為9 600；發(fā)送喚醒的命令；對(duì)命令文件運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

檢測(cè)過程：點(diǎn)開文件菜單選擇發(fā)送命令文件，設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，提示出現(xiàn)“rubber beam 1”時(shí)對(duì)波束1 的超聲波發(fā)生面采用手動(dòng)進(jìn)行快速摩擦，顯示“pass”為正常。采用同樣的方式對(duì)其他波束的超聲波發(fā)射面進(jìn)行檢測(cè)，將傳感器和測(cè)桿同時(shí)放入水中對(duì)其斷面流量進(jìn)行測(cè)量。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)開文件菜單選擇采集模式；對(duì)通訊口進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊增加，按照實(shí)際情況對(duì)設(shè)備連接串口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，通過配置向?qū)ЫY(jié)合用戶輸入的河流具體數(shù)據(jù)，再結(jié)合RDI 公司的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)儀器的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置。設(shè)置菜單中進(jìn)行配置向?qū)нx擇，菜單彈出后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行資料填寫，尤其需要注意ADCP 配置的填寫，然后進(jìn)行運(yùn)行向?qū)Р僮?，程序?huì)結(jié)合數(shù)據(jù)來進(jìn)行儀器參數(shù)的自動(dòng)設(shè)置和確定，其中包括水層單元的個(gè)數(shù)、厚度以及測(cè)流模式等，確定后退出菜單。程序中如果出現(xiàn)流動(dòng)底等問題窗口會(huì)顯示相應(yīng)的警報(bào)，不會(huì)對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)儀器設(shè)置進(jìn)行檢查時(shí)在設(shè)置菜單中選擇配置設(shè)置，對(duì)各個(gè)菜單的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行檢查，通常不需要對(duì)設(shè)置值進(jìn)行修改。

有經(jīng)驗(yàn)的用戶可以在命令菜單中選擇個(gè)性化命令，對(duì)配置文件進(jìn)行保存時(shí)可以在文件菜單中選擇保存配置文件選項(xiàng)，這樣能夠?qū)σ呀?jīng)保存的配置文件隨時(shí)調(diào)出。對(duì)用戶選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)可在設(shè)置菜單中進(jìn)行選擇，采集模式則可以通過選擇提示配置文件以及正在記錄進(jìn)行操作，通過X軸坐標(biāo)來進(jìn)行顯示，需要提前選擇，對(duì)平均流速數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，選擇普通模式中的退出對(duì)窗口界面進(jìn)行自動(dòng)保存和退出時(shí)進(jìn)行配置的自動(dòng)保存能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行有效保存，避免漏存的情況發(fā)生，通過高級(jí)選項(xiàng)來對(duì)單位和公制進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)置。

將參考設(shè)置為水底跟蹤能夠?qū)嗝孢M(jìn)行測(cè)量。斷面測(cè)量的過程中需要將船舶靠岸，對(duì)發(fā)射進(jìn)行開始操作，ADCP 就會(huì)開始發(fā)射聲波，選擇直看中的列表查看能夠在組合列表中對(duì)單低速行駛的情況進(jìn)行觀察，對(duì)有效層數(shù)進(jìn)行觀察后一旦發(fā)現(xiàn)超過有效層數(shù)就需要停止測(cè)量。在采集菜單中選擇開始記錄數(shù)據(jù)的選項(xiàng)后計(jì)算機(jī)就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，組合列表中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)能夠?qū)τ涗浀膫€(gè)數(shù)進(jìn)行直觀展示，個(gè)數(shù)到達(dá)10 之后就會(huì)開始測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集。船靠岸時(shí)有效層數(shù)應(yīng)當(dāng)≥2 層，船停下后等待數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)到達(dá)10 之后，可以在采集菜單中選擇左岸右岸的實(shí)際情況檢測(cè)，對(duì)儀器距離岸邊的距離進(jìn)行填寫，確定后等待記錄數(shù)據(jù)彈出后對(duì)離岸距離進(jìn)行填寫即可。

1.2 ADCP 流量測(cè)驗(yàn)基本原理

聲源不斷接近能夠?qū)β曊{(diào)進(jìn)行加大檢測(cè)，聲源如果逐漸遠(yuǎn)離則聲調(diào)的降低與速度成正比，發(fā)射聲波頻率與回波頻率之間的計(jì)算公式如下：

式中：Fd——聲學(xué)多普勒的頻移；

F——發(fā)射波的頻率；

V——物體沿著聲束方向移動(dòng)的速度，m/s；

C——聲波在水中傳播的速度，m/s。

所有換能器的軸線都能夠代表一個(gè)聲束的坐標(biāo)。ADCP 能夠測(cè)出所有聲束坐標(biāo)流速的分量，對(duì)聲束坐標(biāo)進(jìn)行直角坐標(biāo)系的換算后計(jì)算出具體的流速。

2 ADCP 流量測(cè)驗(yàn)誤差來源分析

2.1 誤差形成

ADCP 流量測(cè)驗(yàn)的誤差分為測(cè)速偏差、測(cè)深偏差、盲區(qū)流速分布率定偏差、近岸測(cè)距偏差、岸邊參數(shù)偏差等，這與測(cè)量頻率、測(cè)速和單元厚度有著直接的關(guān)系。常規(guī)來說，不同的因素會(huì)對(duì)測(cè)量幅度產(chǎn)生制約的影響，因此參數(shù)的設(shè)置非常重要，如從10 增幅到170 時(shí)，誤差就會(huì)明顯下降，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行不斷完善，如果流速超出了設(shè)定的范圍就會(huì)導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)，造成數(shù)據(jù)信息的無效監(jiān)測(cè)。

2.2 來源分析

河底的推移質(zhì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)能夠嚴(yán)重影響到測(cè)船的航行速度，在水流速度較快的情況下河底的泥沙就會(huì)受到?jīng)_擊形成運(yùn)行的推移質(zhì)，這樣就會(huì)對(duì)ADCP 所在測(cè)船的航行速度造成影響，監(jiān)測(cè)到的水層流速通常小于實(shí)際的流速，出現(xiàn)誤差。

水流中泥沙含量較高會(huì)導(dǎo)致聲波能量反射和吸收增強(qiáng)，距離換能器較近的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較大強(qiáng)度的回波，距離換能器較遠(yuǎn)的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較小強(qiáng)度的回波，甚至回波強(qiáng)度會(huì)比本地噪音更低，這樣就會(huì)縮小ADCP的剖面深度。水流中泥沙含量較高會(huì)導(dǎo)致ADCP 的跟蹤與水深測(cè)量的誤差增大，甚至完全失效。

流量測(cè)驗(yàn)過程中采用的單元尺寸不同也會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)?nèi)容造成誤差影響，如水層流速的測(cè)量精度、剖面深度以及流速測(cè)量的垂直分辨率等。單元尺寸如果比較小，流量測(cè)速就會(huì)有較高的垂直向分辨率，測(cè)量的范圍也會(huì)增大，但測(cè)量精度會(huì)有所下降，也會(huì)導(dǎo)致剖面深度出現(xiàn)下降的情況。單元尺寸如果比較大，表層沒有檢測(cè)到的區(qū)域就會(huì)增加厚度。流速的測(cè)量精度與單元尺寸為階躍函數(shù)的關(guān)系。

脈沖數(shù)據(jù)輸出的方法不同對(duì)流速和流量的測(cè)量精度也會(huì)造成影響。單脈沖的數(shù)據(jù)輸出會(huì)影響到單位時(shí)間內(nèi)ADCP 的內(nèi)脈沖采用個(gè)數(shù)和速率，對(duì)流速和流量的精度會(huì)造成影響。多脈沖的數(shù)據(jù)輸出也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理效率和計(jì)算次數(shù)造成影響，需要提升脈沖的發(fā)射數(shù)量。

流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，非實(shí)測(cè)區(qū)的表層或底層可以采用指數(shù)公式來進(jìn)行明渠均勻流速垂直方向分布的表示，也可以通過指數(shù)流速剖面法來進(jìn)行平均流速的有效估算。

3 ADCP 流量測(cè)驗(yàn)與誤差控制

3.1 室外測(cè)驗(yàn)

3.1.1 定線比測(cè)

ADCP 的安裝位置與流速儀設(shè)備為同一側(cè)，可以根據(jù)固定垂線和流速儀監(jiān)測(cè)坐標(biāo)和測(cè)速采樣來對(duì)誤差進(jìn)行控制，對(duì)不同流速狀態(tài)下的ADCP 和流速儀設(shè)備進(jìn)行40 個(gè)樣本信息的采集，對(duì)測(cè)點(diǎn)流速以及垂線流速的分布進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.1.2 走航比監(jiān)測(cè)

采用流速儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，ADCP 能夠進(jìn)行三次初級(jí)階段到終結(jié)階段的斷面流量測(cè)定，通過流速儀模式結(jié)合平均參數(shù)模式來對(duì)比流量，ADCP 流量測(cè)量的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)偏差。如果河床存在較厚的浮泥且有位移的情況，需要對(duì)傳播速度進(jìn)行及時(shí)的計(jì)算和修正，對(duì)誤差進(jìn)行有效控制。

3.1.3 測(cè)流斷面監(jiān)測(cè)

水文監(jiān)測(cè)過程中為降低環(huán)境的影響，需要連續(xù)5 次對(duì)不同的測(cè)流斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇平均值作為參數(shù)。如果5 次中出現(xiàn)一次平均值偏差超過5%，則需要對(duì)是否存在特異參數(shù)進(jìn)行分析，如果有必要可以再次進(jìn)行測(cè)量，如果無法進(jìn)行有效判斷則再次進(jìn)行5 次測(cè)試，取平均值作為流量的參數(shù)。

3.2 誤差控制方法

ADCP 流量測(cè)驗(yàn)十分適合應(yīng)用在河面較寬、水深且流速較大的水文環(huán)境。影響到誤差的關(guān)鍵因素為傳播的速度，測(cè)量過程中需要結(jié)合河流的實(shí)際情況和流速情況來有效控制船舶的航行速度。因垂線的平均流速測(cè)量與水深有直接的關(guān)系，所以需要有效結(jié)合垂線的平均流量和流速。測(cè)量前需要做好河床移動(dòng)的預(yù)測(cè)工作，采用精準(zhǔn)度更高的設(shè)備對(duì)水文進(jìn)行測(cè)量，岸邊的水面寬度可以采用目測(cè)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的方法來進(jìn)行估算。

4 結(jié)語

綜上所述，水文斷面流量測(cè)驗(yàn)中采用ADCP 能夠更加接近水文流量模型，快捷便利地對(duì)水文進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但測(cè)量中遇到水深不夠、河床為流沙以及周邊存在磁場(chǎng)的情況，就會(huì)對(duì)測(cè)量精準(zhǔn)度造成影響。因此，對(duì)水文斷面位置進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要采用牽引設(shè)備，使用過程中應(yīng)當(dāng)將參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)輸入，對(duì)不同斷面進(jìn)行測(cè)量時(shí)要考慮實(shí)際情況后進(jìn)行操作，提升測(cè)量的精準(zhǔn)度，對(duì)誤差進(jìn)行有效控制。