走航式ADCP在唐徕渠流量测验中的应用初探

苏笑曦

（宁夏唐徕渠管理处 宁夏 银川 750001）

宁夏引黄灌区历年来在流量信息采集方面一直沿用着传统的流速仪测流和建筑物测流方法。随着电子科技高速发展，声学多普勒测流技术的发明并投入到流量测验领域是流量测验的一次革命，这些仪器是近年来国际上流行的一种新型测流仪器（分为：走航式ADCP和固定式ADCP）。根据其工作原理，通常译为“声学多普勒流速剖面仪”(Acoustic－声学、Doppler－多普勒、Current－流速、Profiler－剖面仪,)简称ADCP。

由于ADCP是由计算机控制操作，具有操作便捷、测验时间短、分辨率高、性能稳定、数据可靠精度好、资料完整、信息量大等特点，特别适合于流态复杂条件下的测验，与传统的流速仪相比具有更高的测验效率，是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测流设备。近两年在唐徕渠测流探索应用中与传统流速仪测流进行了对比，为此对ADCP的应用谈一点粗浅的认识。

1 ADCP测流系统的组成及声学多普勒原理

ADCP测流系统主要由ADCP流速剖面仪及测船、换能器（4个探头）、计算机操作软件系统及连接设备等3个主要部分组成。其中计算机操作软件由Winriver软件和自主开发的数据处理软件组成，Winriver软件主要用于采集数据，自主开发的数据处理软件对Winriver软件采集的数据进行提取、分析和整理得到流量、流速、流向、水深、水温、坐标等信息。

从理论上讲，用ADCP进行流量测量的原理与传统测量方法的原理是相同的，都是在测流断面上测出多条垂线的水深和流速，从而计算出流量。ADCP配有四个换能器，换能器与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器，换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物反射回来的声波。ADCP相当于在每个子断面内各测量垂线上有多个流速仪同时测速、测深，从而得到了断面的平均流速和流量，然后叠加得到整个断面流量。

2 ADCP与传统流速仪的比较

2.1 流速测量比较

传统流速仪是单点式测量仪器，无论是用什么原理测流，当它被布放在某一深度层时，都只能测出该层的流速。ADCP是一种“剖面仪”，该仪器的特点是测速范围大，在水面上（换能器入水深度0.05m），它能测出该仪器所处位置的垂直剖面，即多个测点，应该称之为多点测量（即剖面）仪器。据资料查阅，在一个垂直剖面上最大的测点数可达128个，因此，布设一台ADCP成果相当于使用多台（可多达128台）单点测流仪。

2.2 流量测量比较

传统流速仪测量方法是在测流断面上布设多条垂线，在垂线处测量水深以获得断面面积，继而再用流速仪测量单点或是多点的流速，计算得垂线平均流速，进而获得断面平均流速。该方法的流量由断面面积乘以断面平均流速得到。这种传统方法费工费时，效率低。ADCP测流时，ADCP装在测船上，当测船从测流断面一侧航行至另一侧时，ADCP即刻就能测出流速剖面和流量，测验耗时少，效率高。

2.3 测点数比较

传统流速仪测流中的“测点”数有限，一般一个测流断面只设5条～12条测线，每条测线测出1个～3个不同深度上的流速。ADCP则在测船航行过程中的采样率很高，即可以测到非常多的“测点”，而在每个“测点”上可以测到几十个不同深度的流速值，实际上它是用积分的方法求出的，因此在数据质量上保证率较高。

2.4 测流断面比较

传统流速仪测流时要求流速仪垂直于测流断面。ADCP与测流断面的关系不作要求，测船航行的轨迹可以是斜线或曲线，机动灵活，这大大地方便了施测作业。

2.5 测流历时比较

以二农场渠口测流为例（测点已布设），传统流速仪一个测次需30min～40min才能得出一个流量值。ADCP据美国地理调查局规定，每个流量值至少要进行4个测次（即两个来回，在4次测量中任一一个数值与平均值之差均小于5%），仅需15min～20min，并能在数据整理中将偏差值标示，精度和自动化程度较高。

3 影响ADCP测流精度的原因分析

使用ADCP在唐徕渠干支渠流量测验中，主要校测了有多年测量资料的测流断面流量，如三棵树、王家湾子、良田渠、大新渠、新桥、八一桥、二农场渠口、分水闸、暖泉渠、公路桥等；经过整理比较、分析数据，ADCP测量结果准确、可靠。ADCP属精密仪器，操作规范要求高，如使用时换能器不能碰在硬物上、不能长期受太阳光照射、亦不能长时间浸泡于水中；不足的是ADCP是固定的，小流量渠道测量时操作不便，而且箱体笨重也不易携带。结合测流过程和整理数据，直观的认为影响ADCP测流精度有以下几方面原因。

3.1 受水流流速的影响

如果水流速快、水面有波浪，换能器有可能露出水面和发生空蚀，影响数据采集，测量过程间断；再就是发生ADCP倾翻的现象，如在新桥测流，当时水位2.56m，最大流速1.65m/s，ADCP被操控到渠中心时，有两次被水流冲击晃动至倾翻，致使测流中断。

3.2 受船速的影响

船速越慢，精度越高，一般船速不超过水流最大速度。特别是起步时船速一定要平稳，不能突然加速或让ADCP来回晃动，这一点犹如开汽车起步时不能颤动。在实际操作中经常会遇到，特别是水流速度较小时，对提高精度尤为重要。

3.3 受岸边距的影响

由于作业船不能紧靠岸边测验，ADCP不能测出近岸边的流速和流量，开始及结束测量的岸边，船需停留片刻，以便获得用于计算岸边流量的10个有效数据。岸边距大小的控制，对ADCP采集10个有效数据至关重要，岸边距过大，岸边流量的推算就存在一定的偏差；岸边距过小，采集不够10个有效数据，需要测船反向移动，不仅影响ADCP正常测流，对岸边流量的推算也有一定的影响。而我们在测流过程中岸边距大多是目测或用钢尺测量，偏差是不可避免的。

3.4 受渠床条件的影响

渠道衬砌与否也直接影响着测流结果，如在暖泉渠测流时，分别在测流断面处（衬砌）和断面下游（渠坡长有杂草）测量，同一水位测得两个结果（见图1、2）。

3.5 受动底和水流条件的影响

渠床内有流沙或滚石的地方或产生涡流时，数据采集中就会出现空白段，此处的流速需通过测区数据外延来估算，致使测量精度降低。如在四号桥上游的两次测量，水位（分水闸）0.58m；水位1.61m（见图 3、4）。

4 ADCP在渠道流量测验的应用前景

运行Window软件的ADCP操作十分方便，在测量的过程中，流速、流向、流量、渠道断面等参数清晰地在计算机屏幕上显示出来，非常直观；同时实测数据都储存在计算机中，可以进行各种必要的后处理作业。由于ADCP提供的水位～流量关系数据可靠、成果代表性高，自动化程度高，这将大大提高水量计量精度，减轻职工劳动强度，提高工作效率，但其价格昂贵，或可将其申报列入灌区续建配套或水权转换项目得以解决。

声学多普勒流速剖面仪，对于流量测验工作来说，确实是一项革命性的先进技术，相信在不久的将来，它会在宁夏引黄灌区获得十分广泛的应用。陕西水利