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1、ADCP在長江上游河道中的應(yīng)用
摘 要：本文簡述了ADCP的測流原理，通過實例描述了ADCP在長江上游河道中的應(yīng)用情況，分析了ADCP在長江上游河道應(yīng)用中的問題及處理方式，為ADCP測流系統(tǒng)的應(yīng)用中提供一定的經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：ADCP；多普勒效應(yīng)；頻移；長江上游；測流
中圖分類號：U612.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006―7973（2017）04-0040-02
ADCP，即Acoustic Doppler Current Profilers，聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是上個世紀(jì)八十年代開始發(fā)展的一種聲學(xué)儀器。經(jīng)過多年的發(fā)展
2、和實踐，其技術(shù)及應(yīng)用亦越趨成熟。目前ADCP憑借其高效安全，可實時獲得直觀而全面的成果數(shù)據(jù)，廣泛的應(yīng)用于各項水文測驗中。目前，利用走航式ADCP測流也成為主要的測流測驗手段之一。
1 ADCP測流原理及儀器簡介
1.1 ADCP測流原理
ADCP，即聲學(xué)多普勒流速剖面儀，通過測定隨水流運動的微小顆粒物的速度而測定水的流速。
當(dāng)換能器發(fā)出固定頻率的脈沖聲波，被隨著水流運動的微粒物反散射，再被ADCP換能器接收。通過多普勒效應(yīng)可知，反散射后的聲波頻率會隨著儀器與微粒物的相對位置的改變而改變，其與發(fā)射聲波的差值就是聲學(xué)多普勒頻移。
1.2 儀器簡介
長江上游河道狹
3、窄，彎急灘險，水流湍急，流速較快約為3m/s左右，汛期部分河段流速可達(dá)4m/s以上，而部分峽谷河段，其深度可達(dá)40，50米以上，流量可從枯水時的3000m3/s到汛期20000m3/s以上。所以經(jīng)過綜合考量在上游航道水文測驗中使用的ADCP設(shè)備主要為美國RDI公司研制的第三代駿馬系列的瑞江牌走航式ADCP 600KHz以及300KHz。其波束角為20，RS232或RS-422串口通訊，重量為7.0kg，精度為 0.25%V+2.5mm/s。
2 流量測驗的實施
2.1 儀器檢校
2.1.1 儀器電量檢校
工作前應(yīng)首先檢查蓄電池電壓是否穩(wěn)定電量是否充足，保證工作用的筆記本
4、電腦電量充足。
走航式ADCP測驗斷面流量，橫渡河流的過程必須是一個連續(xù)不可中斷.如果測驗時由于斷電等因素造成測驗過程中斷，就只能返回斷面起始點重頭開始。所以必須保證儀器設(shè)備的電壓電量穩(wěn)定充足，避免中斷流量測驗，以提高工作效率。
2.1.2 ADCP的自檢
將ADCP同電腦連接，運行BBTLAK軟件，首先設(shè)置好串口及通訊參數(shù)，再運行 TestWH.rds 命令文件，ADCP即可自動完成測試。測試結(jié)果保存在同目錄下的WH_TEST文件中。
使用ADCP前應(yīng)該運行BBTALK軟件進(jìn)行ADCP自檢，保證設(shè)備連通性。ADCP不同于其他聲學(xué)設(shè)備的一點是，其在空氣發(fā)射聲波脈沖也不會
5、損壞儀器。所以儀器的自檢可以入水前進(jìn)行，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)省工作時間。
2.2 流量施測
ADCP自檢后即可安裝入水，未避免造成ADCP內(nèi)置磁羅經(jīng)磁偏角誤差，測船應(yīng)避免選用鐵質(zhì)船殼，所以測驗時選擇的是玻璃鋼材質(zhì)的快艇。保證ADCP的3#換能器朝向船首，且與測船中軸線平行。
完成硬件連接后，打開電腦中的測流軟件WinRiver v1.05，首先需要輸入ADCP的配置參數(shù)，如換能器吃水，測船最大船速，斷面最大流速，水深單元數(shù)，水深單元層高，最大水深等。當(dāng)測驗未知斷面時，為了獲得準(zhǔn)確的斷面參數(shù)，可對斷面預(yù)測一次，以獲知準(zhǔn)確的配置參數(shù)。
當(dāng)參數(shù)無誤時，即可點擊測流軟件WinR
6、iver v1.05菜單欄中的“采集”目錄下的“開始發(fā)射”。此時測船到達(dá)測流斷面起始位置時，再點擊“開始記錄數(shù)據(jù)”，輸入岸邊距離即開始測流，當(dāng)測船勻速到達(dá)對岸測流斷面終點時，即可點擊“停止記錄數(shù)據(jù)”后輸入岸邊距離結(jié)束測量。
如此往返兩個測回后所得的四組數(shù)據(jù)，取其平均值為此次斷面測流的最終成果。
2.3 流量測驗的問題及處理
?。?）流量測驗中如發(fā)生河底走沙或河床底部懸沙濃度過大，造成ADCP的“底跟蹤”失效，ADCP在Btm模式下無法測得船速時， 需要外接GPS，WinRiver測流軟件選用GGA模式。若ADCP無法測得準(zhǔn)確水深時，還應(yīng)外接測深儀。如果測船為鐵質(zhì)船殼或換能器旁有
7、其他鐵制件等可產(chǎn)生較強(qiáng)磁場干擾時，此時需要進(jìn)行磁偏角校正，最好可以外接羅經(jīng)，以減少誤差提高精度。若外接GPS，應(yīng)在測前校正ADCP與GPS的時間 。
（2）測流時應(yīng)保證測船速度低于最大流速，且保證船速均勻，以提高保證測得數(shù)據(jù)均勻分布于測流斷面，以提高斷面測驗精度。
?。?）汛期時部分?jǐn)嗝嬗捎谒骱沉看螅魉龠^快，因水位改變產(chǎn)生回水，泡漩等，應(yīng)該及時改變斷面位置，選擇河道順直，水勢較好處，并選用頻率較低的ADCP。
3 測驗數(shù)據(jù)整理及分析
ADCP可以直觀的獲得測流相關(guān)的各項數(shù)據(jù)，例如每組數(shù)據(jù)的流速，流向（包括沒個單位數(shù)據(jù)的三維分量）以及每個單位數(shù)據(jù)的流量；還可以查看每條
8、斷面估算的上層流量，底層流量和兩岸盲區(qū)的流量；測船在橫渡過程中的橫縱搖數(shù)據(jù)，船速，航向等；更能直觀的顯示測得數(shù)據(jù)中的壞值，能及時發(fā)現(xiàn)問題，反應(yīng)測流成果的可靠性。
通過WinRiver軟件可導(dǎo)出的ASCII數(shù)據(jù)，表頭內(nèi)容包括用戶設(shè)置的參數(shù)（水深單元尺寸、換能器下盲區(qū)長度、吃水、水深單元個數(shù)等）；當(dāng)前剖面的信號數(shù)據(jù)（時間、姿態(tài)、溫度）；當(dāng)前剖面的平均流速分量、測深數(shù)據(jù)等；跟蹤軌跡數(shù)據(jù)；GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)；流量信息；水深信息。各水層單元的數(shù)據(jù)包括當(dāng)前水層單元的深度、流速值、流向、東向流速、北向流速、垂向流速、誤差流速、波束1～波束4的反向散射、好的百分?jǐn)?shù)、流量共13個數(shù)據(jù)。
我們通常利用垂線
9、點附近的30組數(shù)據(jù)計算出在垂線點各對應(yīng)水深的流速以及測流時取得的斷面數(shù)據(jù)，將其帶入傳統(tǒng)的計算表格中求取斷面的最終流量，并將其作為最終的提交成果。
上表中DM1為上游斷面，DM4為下游斷面，DM2與DM2-1，以及DM3同DM3-1，分別為中間兩個河心洲的分汊斷面。測驗總共歷時2小時，臨時水尺水位變化小于0.1米，所以可以認(rèn)為測驗過程中測區(qū)流量沒有變化。測驗結(jié)果可知測流斷面的流量互差比值均小于5%。
通過此次測驗可以發(fā)現(xiàn)，ADCP系統(tǒng)在工作中具有很高的工作效率，四五百米的測流斷面兩次往返，四個測回總歷時不到30分鐘。測得的結(jié)果也有較強(qiáng)的可靠性，測區(qū)中上下斷面流量以及與河流分汊流量的和
10、值，其互差皆在5%的范圍內(nèi)。
4 總結(jié)
ADCP作為一種自動化，數(shù)字化的測流手段，廣泛的應(yīng)用于水文測驗當(dāng)中。憑借其系統(tǒng)的高效，安全，先進(jìn)可靠的優(yōu)點，有利的保證了長江上游流量測驗工作，提高了工作效率，?s短的了工作時間，降低了在險灘急流環(huán)境中的風(fēng)險，有效提高了長江上游航道建設(shè)工作的進(jìn)展。
根據(jù)ADCP原理還可利用測得位置及回波強(qiáng)度等斷面數(shù)據(jù)，反算水體含沙量等方面還有進(jìn)一步的拓展空間。對于如何提高ADCP的應(yīng)用效率，降低盲區(qū)，提高成果精度，實現(xiàn)成果數(shù)據(jù)后處理的自動化等方面，還是以后應(yīng)用研究的關(guān)鍵。相信隨著科技的進(jìn)步，ADCP 在以后的水文工作中能夠向著更高效，簡便，智能化，信息化的方向進(jìn)一步提高。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃河寧博士，ADCP河流流量測驗原理和方法，美國亞迪儀器公司 （RD Instruments） 2003
[2]杜光坤，走航式ADCP在瀾滄江流量測驗中的應(yīng)用，氣象水文海洋儀器，2006
[3]馮建軍，ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方法，港工技術(shù)，2007
ADCP在長江上游河道中的應(yīng)用
