走航式声学多普勒流速仪适应性研究

李世强

(黑龙江省水文局，哈尔滨150001)

走航式声学多普勒流速仪适应性研究

李世强

(黑龙江省水文局，哈尔滨150001)

走航式声学多普勒流速仪能够提高流量测验工作效率，但是其设计应用环境与我国内陆河流情况不能完全相适应，一定程度上影响测流精度。黑龙江省水文局开展了一系列实验研究，逐步解决出现的问题，努力减小设备测验误差，提高工作效率。

ADCP;GPS;比测实验;比测环境

0 前言

河流流量测验是水文测验最主要的项目之一。防汛抗旱和水资源管理工作对水文测验工作提出了更高的要求。传统的河流流量测验是在测流断面上布设多条垂线，算出垂线平均流速，进而得到断面面积和断面平均流速。流量则由断面面积与断面平均流速的乘积得到。这种方法需要多人熟练配合，耗时长。

Acoustic Doppler Current Profiler通常译为声学多普勒水流剖面仪，缩写为ADCP。ADCP测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，就能即刻计算出河流流量，比传统的流速仪法效率提高数倍，遇洪水时更能凸显ADCP快速测流的优势［1］。

黑龙江省水文局先后从SonTeck和RDI公司引进多套ADCP测流设备。各测站经过几年的应用，该设备基本实现了预期功能，并应用到日常测流工作中。

由于黑龙江省境内各河流汇流情况复杂、气象情况多变，河流特性多样等原因，ADCP在使用过程中逐渐暴露出一些问题。

为了解决这些问题，提高流量测验精度，提升测验设备长期使用的可靠性和适用性，挖掘现有设备潜能，黑龙江省水文局监测处将ADCP测验设备使用过程中遇到的和可能遇到的问题进行搜集整理，通过实验分析和解决问题。

1 对比测试实验

当河底泥沙含量较大时，会影响ADCP对河底深度的测量精度，对于测船行进速度的测量也会出现偏差，导致流量测量结果偏小。为了减小河底泥沙对测流精度的影响，通过比测实验找出减小影响的方法［2］。比测实验包括3个部分:不同频率ADCP之间比测、ADCP与外接设备兼容性和ADCP外接设备的测流结果。

1.1 不同频率ADCP比测实验

1.1.1 比测环境

2010年8月16日，松花江干流受降水和上游来水影响流量增大，上游地区子堤溃堤，造成肇源断面泥沙含量增大。理论上不同工作频率的ADCP对河底泥沙的穿透能力不同，频率高的设备更容易出现丢底的现象，而频率低的设备穿透能力更强能够保证探测到河底深度。比测实验选用工作频率为1.5 MHz和600kHz的两款ADCP进行实验，以此来验证不同频率的ADCP在汛期涨水阶段的测流能力。

1.1.2 比测结果

高频ADCP测量结果见图1。从航迹图中可以看出，中段区域流速最大，有流速异常情况;从断面剖面图中可以看出，水深最大处附近，底跟踪情况出现异常，有3个以上工作剖面数据损坏，根据《声学多普勒流量测验规范》(SL337—2006)本次测验数据无效。

低频ADCP测量结果见图2。从航迹图中可以看出，全剖面流速变化均匀，无异常情况;从断面剖面图中可以看出，水深数据无异常，底跟踪正常，测量数据有效［3］。

从高频ADCP与低频ADCP比测结果来看，在泥沙含量较大的情况下，低频设备相对高频设备更具适应性，测量精度更高。比测结果见表1。

图1 高频ADCP测流结果

图2 低频ADCP测流结果

表1 高频ADCP与低频ADCP比测数据

1.2 设备兼容性实验

1.2.1 硬件连接

当ADCP无法测得河底深度并利用底跟踪模式测得测船速度时，需要外接测深仪和GPS得到深度和速度数据。

因此，验证ADCP与外接设备的通讯能力是十分必要的，结合黑龙江省水文局现有设备，将高频、低频ADCP和GPS、测深仪设备分别进行数据通讯实验。

数据通讯试验内容包括数据传输和测量精度2个方面。测流设备、GPS和测深仪分别通过RS232接口与电脑连接。试验以高频ADCP和低频ADCP为核心设备分两组进行，分别连接GPS设备和测深设备［4］。

GPS设备可以为RiverSurveyor程序(高频ADCP设备测量程序)和WinRiver程序(低频ADCP测量程序)提供航线信息，包括位置、速度和时间等信息，程序可以计算出测船航行的速度和方向。

测量程序具备连接外置GPS的功能，GPS设备可以与高频ADCP和低频ADCP设备协同工作。回声测深仪可以为测量程序提供水深数据，程序中同样具备外置测深仪的连接功能。

通过设置通讯参数，ADCP与GPS和测深仪可以进行数据通讯，数据格式满足测流软件计算要求。ADCP与GPS和测深仪设备连接参数见表2。

表2 ADCP与GPS和测深仪设备连接参数

通过连接试验，高频ADCP和低频ADCP均可以与两种GPS设备和测深设备进行通讯，GPS数据能够实时发出，信号质量稳定，传输速度正常，可以为测量程序提供有效数据。

在完成数据传输试验的基础上进行测量精度试验。GPS设备可以提供3种测量模式分别提供导航模式，差分模式和RTK模式，即米级、分米级和厘米级精度。

根据《声学多普勒流量测验规范》(SL337—2006)要求，外接GPS提供的数据精度不能低于差分精度，也就是说差分模式和RTK模式的数据精度才能满足ADCP测流要求。ADCP与GPS数据通讯精度测试结果表3。

表3 ADCP与GPS数据通讯精度测试结果

由表3可知，导航模式下的数据精度不能满足ADCP测流要求，天宝GPS不具备接收静止卫星差分信号的功能，同样不能测流要求;徕卡和南方GPS的主机能够接收静止卫星发送的差分信号，因此满足测流要求，3个品牌GPS在RTK模式下的数据精度同样可以满足测流要求［5］。

1.3 设备组合比测分析

比测实验分两组进行，第一组是高频ADCP与天宝GPS连接，ADCP采用底跟踪模式，GPS采用RTK模式;第二组是低频ADCP与徕卡GPS连接，ADCP采用底跟踪模式，GPS采用差分模式。第一组实验结果见表4，第二组实验结果见表5，两组比测实验数据结果见表6。

表4 高频ADCP底跟踪与外接GPS比测数据

表5 低频ADCP底跟踪与徕卡差分模式比测数据

表6 两组比测实验数据结果

通过比测实验数据可知，通过外接GPS获得船速能够对存在走底现象造成的流量数据偏小的情况能够进行修正。由于试验样本数量不足，只能定性分析测流数据，不能得出确定具体修正数据。因此还需要进行大量的实验进行分析。

2 结语

结合高频ADCP和低频ADCP外接GPS比测试验的结果可以看出以下3点:

1)在存在走底现象的测验断面，高频设备与低频设备均会受到走底现象的干扰，导致测量结果偏小，但低频设备对走低现象适应性更好，在没有其他设备辅助的情况下，可以选择低频设备减少测验误差。

2)外接GPS设备后，能够对测量结果进行一定的修正，由于试验样本数量不足，仅能进行定性说明可以修正。

3)对于不同的水位基、水沙关系、水位流量关系和断面冲淤情况，还需要进行大量、详细的比测试验，才能够准确修正走底现在带来的测量误差，提高ADCP测验准确性。

［1］田淳.声学多普勒测流原理及其应用［M］.郑州:黄河水利出版社，2003:36-39.

［2］曹贯中，蒋建英，陈望琴.走航式声学多普勒流速仪流量测验过程控制方法［M］.北京:中国水利水电出版社，2011:29-32.

［3］魏进春，黄双喜.声学多普勒流量测验应用关键技术试验研究［M］.北京:中国水利水电出版社，2011:71-73.

［4］尹建国，蒋佑华，陈含华.走航式声学多普勒剖面流速仪测流应用与分析［J］.水利水文自动化，2004(03):40-42.

［5］潘春香，刘阳明，刘恒.走航式声学多普勒流速仪在黑龙江干流流量测验中的应用［J］.东北水利水电，2012(01):63-65.

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1007-7596(2014)07-0019-03

2014-02-10

李世强(1982-)，男，黑龙江牡丹江人，工程师，硕士。