走航式ADCP測流精度控制措施研究

王德維， 華 晨， 李 巍， 張巧麗

(1.江蘇省水文水資源勘測局連云港分局， 江蘇 連云港 222004；2.江蘇省水文水資源勘測局常州分局， 江蘇 常州 213022)

1 原 理

ADCP是利用聲學(xué)多普勒頻移效應(yīng)進(jìn)行流速、流量測驗(yàn)的測驗(yàn)系統(tǒng)，一般由ADCP、計(jì)算機(jī)、電源和數(shù)據(jù)處理軟件等組成[1]。換能器向水中發(fā)射固定頻率的超聲波脈沖，當(dāng)碰到水中的散射體(浮游生物，泥沙等)反射回波被接收。當(dāng)散射體有相對運(yùn)動，其反射的聲波在頻率上有一定的變化(頻移)。由河底或海底的回波測量河底或海底相對于ADCP的運(yùn)動，它是通過河底回波多普勒頻移來計(jì)算船速稱為底跟蹤。通過跟蹤水中的顆粒物的運(yùn)動測得水流相對ADCP的速度，稱為水跟蹤。

兩個基本假設(shè)為：

(1)反射聲波信號的浮游物體(泥沙、微生物等)是隨著水流運(yùn)動的。

(2)所有4個ADCP波束都在測量同一個流速矢量，即流速在一個小范圍的同一水平面上是不變的。

2 存在的問題

(1)無處鑒定，不做比測，目前國內(nèi)采用的儀器都是進(jìn)口的，國內(nèi)還沒有鑒定機(jī)構(gòu)，使用者常年也不做比測，認(rèn)為測出的結(jié)果就是正確的。

(2)參數(shù)設(shè)置不合理，不能根據(jù)河流的水文特性，合理選擇單元深度、單元數(shù)目、最大水深、最大流速及測流模式等，導(dǎo)致測量成果不合理。

(3)實(shí)測部分只有30%～50%，盲區(qū)推算方法選擇不合理。

(4)忽略動底，直接采用ADCP底跟蹤施測值，導(dǎo)致測量值偏小。

(5)使用者技術(shù)水平參差不齊，在安裝、選型、施測過程中，不能按照規(guī)范進(jìn)行，導(dǎo)致測量誤差偏大。

3 精度控制措施

3.1 ADCP選型合理

目前，常用的ADCP頻率有300 kHz、600 kHz、300 kHz及1 200 kHz。頻率越高，穿透性越差，越不容易穿透高含沙量的水流，能測得水深也越小，但精度較高；頻率越低，穿透性越強(qiáng)，越容易穿透高含沙量的水流，能測得水深也越大，但精度較低。因此，水深與泥沙含量決定了ADCP頻率的選擇。

在選擇ADCP頻率時，要綜合考慮斷面水深及泥沙含量等水文特性和精度要求[2]。當(dāng)水體中泥沙含量導(dǎo)致施測不到深度時，建議選擇頻率更低的ADCP。

3.2 安裝要求嚴(yán)格

3.2.1 ADCP

采用船測時，ADCP探頭安裝可以采用船頭、舷中部邊裝和內(nèi)部安裝3種方式。ADCP換能器應(yīng)垂直安裝，縱搖和橫搖的偏角宜≤2°，正向(一般為換能器箭頭的指向)指向船頭，應(yīng)盡量與測船中軸線平行[3]，換能器入水深度按船舶晃動不露出水面為宜，避免露出水面、發(fā)生空蝕現(xiàn)象。

若晃動較大不同波束施測的水深將相差較大，導(dǎo)致判斷近水底層流速時因不同波束計(jì)算的數(shù)據(jù)不在同一水層而誤差超限出現(xiàn)錯誤，還導(dǎo)致近底層空白區(qū)增大。ADCP探頭安裝不水平會出現(xiàn)的問題主要是數(shù)據(jù)出錯，特別是盲區(qū)增大。一般情況下到底層附近剖面流速變化大，誤差大于閾值的可能性就會增多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯，出現(xiàn)盲區(qū)大。

3.2.2 GNSS

天線安裝在ADCP探頭垂直上方，能正常接收衛(wèi)星信號，目的是測量的船速代表ADCP探頭運(yùn)動速度。天線安裝不在垂直上方時，在測船轉(zhuǎn)彎時，因角速度不同底跟蹤和GNSS施測的船速將不一致，導(dǎo)致GNSS施測的速度不能代表ADCP探頭的運(yùn)行速度。

當(dāng)ADCP數(shù)據(jù)采集軟件中有GNSS天線位置改正設(shè)置功能時，天線可以不在垂直上方。

3.2.3 外部羅經(jīng)

當(dāng)內(nèi)部羅經(jīng)無法正常使用時，需要接外部羅經(jīng)，外部羅經(jīng)要與ADCP剛性連接，不能晃動，保證安裝后能代表ADCP的轉(zhuǎn)動方位。如羅經(jīng)安裝在船頂，那么ADCP綁在船上一定要牢固，否則羅經(jīng)不能代表ADCP的方位。

3.3 參數(shù)設(shè)置有效

3.3.1 深度單元尺寸

深度單元尺寸(WS)應(yīng)根據(jù)型號和測流模式設(shè)置，見表1，例如當(dāng)采用600 kHz型號WM1測流模式時，深度單元尺寸為50 cm，設(shè)置命令為WS50。

表1 ADCP深度單元大小 單位：cm

3.3.2 深度單元數(shù)目

深度單元數(shù)目(WN)是設(shè)置垂直剖面上記錄水層的單元個數(shù)，它可通過斷面最大水深和測深單元尺寸計(jì)算求得。命令格式：WNnnn，在標(biāo)準(zhǔn)模式下，記錄水層的單元個數(shù)為1～128。深度單元記錄數(shù)目:nnn= 最大深度/WS。但在實(shí)際情況下，可以增加幾個，提高數(shù)據(jù)記錄的安全性。若深度單元記錄數(shù)目設(shè)置偏少，這樣超過深度的流量數(shù)據(jù)將不再記錄，造成記錄不完整。當(dāng)計(jì)算的記錄水層的單元數(shù)超過128個，可將WS適當(dāng)增大后重新計(jì)算。

3.3.3 斷面最大水深

斷面最大水深(BX)是設(shè)定底跟蹤斷面最大搜尋深度的命令，單位為dm，原則上推薦是斷面最大深度的1.5倍,在現(xiàn)場如含沙量過大無法探測到河底時，可以適當(dāng)加大搜尋深度，也是增大ADCP的發(fā)射功率。

如該命令設(shè)置偏小時，當(dāng)大于該水深的地方將導(dǎo)致底跟蹤失效，無法施測流量。

3.3.4 測量模式

TRDI公司生產(chǎn)的ADCP通常包括2種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式(例如“瑞江”ADCP模式1)和淺水高精度模式(例如“瑞江”ADCP模式5、模式11)[4]。標(biāo)準(zhǔn)模式即寬帶模式，淺水高精度模式即脈沖相干模式。標(biāo)準(zhǔn)模式流速測量范圍大，剖面深度大，適用于大多數(shù)情況。淺水高精度模式流速測量范圍小，剖面深度小，但流速測量精度非常高，其流速測驗(yàn)短期精密度可達(dá)mm/s的量級。因此，當(dāng)流速很低(例如：流速<10 cm/s)且水深較淺的情況，采用淺水高精度模式效果特別好。

對于在標(biāo)準(zhǔn)模式(WM1)下無法施測全斷面流量時，可采用以下方式施測：

(1)標(biāo)準(zhǔn)模式(WM1)邊灘水淺導(dǎo)致ADCP無法施測數(shù)據(jù)時，可采用淺水模式(WM5)動船或定點(diǎn)施測。

(2)當(dāng)ADCP無法施測時，可在流速垂線上采用轉(zhuǎn)子式流速儀施測。

3.4 動底測驗(yàn)方法正確

當(dāng)河流含沙量較大，特別是流速較大時，導(dǎo)致ADCP一定頻率的測定的“底”是沿河床運(yùn)動的即河床上面的泥沙是運(yùn)動的，此種情況稱為動底。動底時，常規(guī)的底跟蹤方式施測流量偏小，宜采用回路法、定點(diǎn)多垂線法和差分GNSS法等。

3.4.1 回路法

回路法就是利用ADCP自身的底跟蹤(BTM)功能在斷面連續(xù)施測一個來回[5]，但開始和結(jié)束必須是同一位置，通過觀測導(dǎo)航面板中直線距離和回路施測歷時,利用公式(1)就可以計(jì)算出斷面的“動底”平均速度，再將“動底”平均速度乘以斷面面積就是因“動底”偏小的流量，最后加上實(shí)測流量就得到斷面真實(shí)流量。

(1)

Q=Q′+VmbA

(2)

式中：Vmb—一個來回的“動底”速度，m/s；DUP—一個來回同一位置因“動底”原因向上游的距離，m；T—一個來回的所用的時間，s；Q—斷面修正后的流量，m3/s；Q—斷面實(shí)測的流量，m3/s；A—斷面的面積，m2。

回路法前提是內(nèi)部羅經(jīng)要校正，至少要達(dá)到線性變化，否則不能用此方法。優(yōu)點(diǎn)是不需要 DGPS、實(shí)施方便、計(jì)算簡便等，但是其精度取決于起點(diǎn)與終點(diǎn)重合，羅盤必須精確標(biāo)定，斷面必須垂直于主流向，必須保持底跟蹤。

3.4.2 定點(diǎn)多垂線法

將ADCP當(dāng)作流速儀用，采用定點(diǎn)測量。根據(jù)水文特性布設(shè)一定數(shù)量的測速、測深垂線，計(jì)算每條垂線的平均流速和部分面積，進(jìn)而求得部分流量和斷面流量。

該種方法具有不需要GPS，與流速儀法相似等優(yōu)點(diǎn)，但需要人工定位，必須考慮流向，保證ADCP不移動且費(fèi)時，不適用航運(yùn)繁忙的河流。

3.4.3 差分GNSS法

差分GNSS法就是利用差分GNSS代替底跟蹤測量船速[3]。采用外接GNSS方式施測的流速與磁偏角有直接關(guān)系，若內(nèi)置羅經(jīng)確定大地坐標(biāo)與GNSS大地坐標(biāo)之間偏角差異較大，則測流誤差較大、精度較低。這樣對于外接羅經(jīng)的精度要求就顯得更加重要。外接羅經(jīng)校正方法為：

(1)在一固定斷面進(jìn)行一測次(往返)ADCP施測。

(2)采用試錯法將安裝外部羅經(jīng)偏移量或磁偏差輸入相同值后檢查往返軌跡圖，直至滿足有校正后的軌跡圖要求。

(3)通過斷面往返用試錯法找出滿足“跟蹤相對GNSS軌跡線不能有向下游的趨勢”的角度。

3.5 施測過程規(guī)范

(1)在起點(diǎn)位置應(yīng)調(diào)整好航向，聽到出發(fā)信號后，方可開始。

(2)聲學(xué)多普勒流速儀施測流量應(yīng)在滿足水深條件下盡量靠近岸邊。

(3)單次橫渡施測時盡量保持勻速和船首方向一致，施測時間不應(yīng)小于180 s，船速不宜大于2.5 m/s。需要挑選垂線測點(diǎn)流速時，應(yīng)在每條垂線一定半徑范圍內(nèi)(根據(jù)斷面寬度和流速變化情況確定)至少采集4組有效數(shù)據(jù)。

(4)當(dāng)兩邊垂線因測船吃水深和多普勒流速儀盲區(qū)等原因無法施測流速時，應(yīng)在滿足多普勒流速儀施測前提下在邊界增加測量垂線，并盡可能將位置固定。

(5)在起、終點(diǎn)位置停留時間不少于5組(次)脈沖信號，并在流量計(jì)算參數(shù)中設(shè)定。

(6)航跡應(yīng)盡量與測流斷面線重合。

(7)為減少因水流脈動帶來的影響[6]，航次應(yīng)滿足以下要求：流量測驗(yàn)應(yīng)施測2個測回(往返各2次)，任意一次BTM和GGA模式下流量與平均值的相對誤差不應(yīng)大于5%，否則補(bǔ)測同向的一個測次流量。當(dāng)斷面流場出現(xiàn)順逆不定或流量小于某值時，可不考慮單次流量間的相對誤差(需主管技術(shù)部門批復(fù))，流量以施測2個測回的均值為準(zhǔn)。當(dāng)BTM模式和GGA模式斷面流量誤差超過±1%時，則應(yīng)采用GGA模式下流量作為斷面流量。

4 結(jié) 語

河流流量測驗(yàn)是水文工作者的重要任務(wù)之一，ADCP流量測驗(yàn)方法的發(fā)明被認(rèn)為是河流測驗(yàn)領(lǐng)域的一次革命，比傳統(tǒng)的河流測驗(yàn)方法效率提高了十幾倍，它標(biāo)志著河流流量測驗(yàn)的現(xiàn)代化[7]。但是必須全面了解其基本原理和操作要點(diǎn)，嚴(yán)格執(zhí)行測驗(yàn)規(guī)范要求，才能正確應(yīng)用ADCP測流，才能保證測驗(yàn)結(jié)果的精度要求。