ADCP在水文監(jiān)測中的應(yīng)用分析

李吉林，陳沭

（1.青島市水文局，山東青島 266071；2.膠州市水文局，山東膠州 266300）

ADCP在水文監(jiān)測中的應(yīng)用分析

李吉林1，陳沭2

（1.青島市水文局，山東青島 266071；2.膠州市水文局，山東膠州 266300）

對ADCP的基本情況和工作原理進行了簡要介紹，并從測量技巧、河道建筑物、測速垂線布設(shè)等方面對影響ADCP測驗情況進行了分析，提出了ADCP測流的優(yōu)勢、注意事項和發(fā)展遠景。

ADCP；流量測驗；用水總量

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（簡稱ADCP）近年來在水文系統(tǒng)逐步應(yīng)用，使流量測驗工作形式較以往發(fā)生了很大的改變。由于儀器本身是移動式的，便于載運和攜帶，機動性強，大大提高了測流效率，為水資源論證、用水總量監(jiān)測等工作提供了有力保障。自2009年起青島市水文局在大沽河洪水測驗中開始使用ADCP，效果顯著。

1 ADCP的工作原理

ADCP是目前世界上最先進的河流流速、流量實時測量設(shè)備。ADCP流量測量原理與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法相同，是將測流斷面分成若干個子斷面，在每個子斷面內(nèi)測量垂線上一點或多點流速并測量水深，從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量。再將各子斷面的流量疊加得到整個斷面的流量。但不同之處是：1）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法是靜態(tài)方法，流速儀是固定的；ADCP是動態(tài)方法，可在隨測船運動的過程中進行測量。2）由于用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法費時，通常不會將子斷面劃分的很細，垂線流速的測量點也不可能很多；而ADCP由于采樣速率較高，可以將子斷面劃分的很細，垂線流速測量點也可以很多，相當于多臺流速儀同時測量。3）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法要求測流斷面垂直于河岸；ADCP法則無此要求，測船的航跡可以是斜線或曲線。

2 ADCP與流速儀實測流量成果分析

2009年汛期，青島市水文局大麻灣水文站使用ADCP實測流量6次，并采用流速儀一點法進行了比測。

從ADCP各次往返測量成果看，偏差都在5%以下，說明ADCP進行流量測驗性能穩(wěn)定性高，精度良好。從與流速儀一點法實測結(jié)果對比看，一次偏差在5%以下，兩次偏差在10%左右，通過分析、試驗得知，形成ADCP實測偏差的原因主要概括如下：

2.1 引船的速度對ADCP的影響分析

按ADCP的使用要求，牽引船的速度要小于河流平均流速，才能達到測驗要求。經(jīng)多次使用不同的牽引速度牽引三體船測量,結(jié)果表明,牽引船的速度對測驗結(jié)果有一定影響,但這種影響很小，不會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

2.2 下游橡膠壩的影響

大麻灣水文站斷面下游5.5 km建有南莊橡膠壩一座，在非洪水期橡膠壩一般不放壩，對上游斷面有阻水作用，此次大麻灣斷面來水系上游水庫超汛中限制水位而開閘放水，流量不大，因此橡膠壩沒有放壩，流速儀法實測結(jié)果偏大。

2.3 流速儀測速垂線布點的影響

此次流速儀法測流采用一點法測速，由于下游橡膠壩阻水影響，0.6一點法流速偏大，不能代表垂線平均流速，在條件允許的情況下應(yīng)采用精測法（兩點法、三點法或五點法），這樣比測的結(jié)果更合理。

3 ADCP在水文測驗中的優(yōu)劣分析

3.1 ADCP在水文測驗中的優(yōu)勢

1）ADCP可克服水草影響。ADCP法測船的航跡可以是斜線或曲線，當有水草通過測流斷面時，測船可以繞過水草，繼續(xù)測流，而流速儀法則不可以，需要將水草除去，或者待水草流過后再進行測流。

2）ADCP測驗速度快、效率高。傳統(tǒng)測驗方法一個測驗過程一般需要3～4人，駕駛車輛、操作儀器、記錄數(shù)據(jù)各有分工，并且很難兼顧其它，且儀器下面有鉛魚配重，勞動強度較大，特別是洪水漲落幅度較大和人工手提儀器懸索測流時，對操作人員的體力更是較大考驗。ADCP測驗由電腦操控，現(xiàn)場不需要人工記錄、計算，測船一個測回即可測得斷面的流量、平均流速、最大流速、面積等水文要素，從而大大降低了測驗人員的勞動強度，節(jié)省了人力物力。

3）與傳統(tǒng)流速儀測流相比，其儀器分辨率、測速精度有較大的提高，并具有連續(xù)不間斷測量、高頻次測量、斷面流量過程線一目了然等優(yōu)點。其采用的深度單元最小尺寸為0.05 m，即水深為1 m時，可將垂線劃分為20份，相當于傳統(tǒng)流速儀法的“二十點法”，儀器分辨率大大提高。

4）傳統(tǒng)測驗要預(yù)先在施測河段進行水尺的設(shè)立和測量以及大斷面的測量，掌握河道斷面的基本情況，ADCP不需預(yù)先測量和布設(shè)，在測流的同時各種斷面信息和水文要素即計算和顯示出來。機動性和便利性大大凸顯。特別適用于無斷面資料和水文資料河段，突發(fā)洪水及決口河段的測驗任務(wù)使用。

5）ADCP流量測量精度比流速儀高。經(jīng)過在大麻灣水文站多次測流對比實驗，只要嚴格按步驟操作，則半測回流量值與平均值偏差均小于5%。

6）ADCP測驗生成的聲學(xué)多普勒流速儀流量記載表能直接應(yīng)用于水文資料整編程序進行整編。

7）操作簡便，測驗效率高，適合于巡測。

8）ADCP是聲學(xué)測驗設(shè)備，在含沙量較大的水流中其發(fā)射和接受的信號會被泥沙顆粒散射，所以測量成果受河流含沙量的影響較大。這限定了ADCP使用也只能是在含沙量小的情況下，在含沙量較大河流中是無法發(fā)揮其作用的。

青島地區(qū)平原測驗河段的含沙量比較小，不會對其產(chǎn)生影響，因此，ADCP比較適合在青島地區(qū)水文測驗中應(yīng)用。

3.2 ADCP在水文測驗中注意事項

1）在應(yīng)用ADCP進行流速流量測量時，為了取得最佳測量結(jié)果，應(yīng)針對不同測驗河段、測驗斷面的具體情況，在測流前要進行ADCP系統(tǒng)的檢測和配置，正確設(shè)置儀器參數(shù)，否則會出現(xiàn)測驗數(shù)據(jù)不全面或測驗精度降低等問題。

2）ADCP是聲學(xué)測驗設(shè)備，較多的泥沙顆粒將會削弱儀器聲波的發(fā)射和接收，所以測量成果受河流含沙量的影響很大，有關(guān)專家建議該儀器使用的條件為含沙量不大于10 kg/m3。即該儀器只能在含沙量小的情況下使用。

3）青島地區(qū)的河流大多屬于平原性河流，流速較小，洪水的起漲和回落時間持續(xù)較長，洪水流速一般在0.20～1.00 m/s之間。而ADCP要求測船的船速不能高于流速，限制了測船的行進速度，一定程度上延長了測驗的時間。因此ADCP不太適用于流速較小的河段測驗。

4）ADCP水下?lián)Q能器是全封閉的，在出現(xiàn)故障的情況下無從著手，不能自已檢查、更換；主板比較昂貴，一般不可能備用；維修不方便，出現(xiàn)故障將會影響流量測驗，因此，要嚴格按照操作程序使用和管理，確保儀器正常使用。

5）支持信號發(fā)射電臺的電源續(xù)航能力不高，用于計算測驗數(shù)據(jù)便攜式電腦電池續(xù)航能力也不高，在高頻次的流量測驗和多個斷面的巡測過程中會產(chǎn)生很多不便。

4 效益分析

ADCP作為世界上最先進的流量測驗設(shè)備，應(yīng)用于水文測報中，不但提高了水文現(xiàn)代化水平，也提高了測驗精度和測洪能力，極大縮短了水文信息采集的時間，為防汛抗洪、水資源開發(fā)利用和保護提供了準確及時的水文信息。

ADCP的使用，改變了水文測驗傳統(tǒng)落后的測驗方式，流量、流速、水深、面積等水文信息由人工測驗記錄變?yōu)橄冗M的自動采集傳輸，實現(xiàn)了測報自動化，減輕了勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率和職工工作積極性，提高了水文的社會地位。

（責(zé)任編輯 趙其芬）

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2014-05-29

李吉林（1966—），男，工程師