ADCP在水文监测中的应用分析

李吉林，陈沭

（1.青岛市水文局，山东青岛 266071；2.胶州市水文局，山东胶州 266300）

ADCP在水文监测中的应用分析

李吉林1，陈沭2

（1.青岛市水文局，山东青岛 266071；2.胶州市水文局，山东胶州 266300）

对ADCP的基本情况和工作原理进行了简要介绍，并从测量技巧、河道建筑物、测速垂线布设等方面对影响ADCP测验情况进行了分析，提出了ADCP测流的优势、注意事项和发展远景。

ADCP；流量测验；用水总量

声学多普勒流速剖面仪（简称ADCP）近年来在水文系统逐步应用，使流量测验工作形式较以往发生了很大的改变。由于仪器本身是移动式的，便于载运和携带，机动性强，大大提高了测流效率，为水资源论证、用水总量监测等工作提供了有力保障。自2009年起青岛市水文局在大沽河洪水测验中开始使用ADCP，效果显著。

1 ADCP的工作原理

ADCP是目前世界上最先进的河流流速、流量实时测量设备。ADCP流量测量原理与传统的转子式流速仪法相同，是将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量。再将各子断面的流量叠加得到整个断面的流量。但不同之处是：1）传统的转子式流速仪法是静态方法，流速仪是固定的；ADCP是动态方法，可在随测船运动的过程中进行测量。2）由于用传统的转子式流速仪法费时，通常不会将子断面划分的很细，垂线流速的测量点也不可能很多；而ADCP由于采样速率较高，可以将子断面划分的很细，垂线流速测量点也可以很多，相当于多台流速仪同时测量。3）传统的转子式流速仪法要求测流断面垂直于河岸；ADCP法则无此要求，测船的航迹可以是斜线或曲线。

2 ADCP与流速仪实测流量成果分析

2009年汛期，青岛市水文局大麻湾水文站使用ADCP实测流量6次，并采用流速仪一点法进行了比测。

从ADCP各次往返测量成果看，偏差都在5%以下，说明ADCP进行流量测验性能稳定性高，精度良好。从与流速仪一点法实测结果对比看，一次偏差在5%以下，两次偏差在10%左右，通过分析、试验得知，形成ADCP实测偏差的原因主要概括如下：

2.1 引船的速度对ADCP的影响分析

按ADCP的使用要求，牵引船的速度要小于河流平均流速，才能达到测验要求。经多次使用不同的牵引速度牵引三体船测量,结果表明,牵引船的速度对测验结果有一定影响,但这种影响很小，不会产生系统误差。

2.2 下游橡胶坝的影响

大麻湾水文站断面下游5.5 km建有南庄橡胶坝一座，在非洪水期橡胶坝一般不放坝，对上游断面有阻水作用，此次大麻湾断面来水系上游水库超汛中限制水位而开闸放水，流量不大，因此橡胶坝没有放坝，流速仪法实测结果偏大。

2.3 流速仪测速垂线布点的影响

此次流速仪法测流采用一点法测速，由于下游橡胶坝阻水影响，0.6一点法流速偏大，不能代表垂线平均流速，在条件允许的情况下应采用精测法（两点法、三点法或五点法），这样比测的结果更合理。

3 ADCP在水文测验中的优劣分析

3.1 ADCP在水文测验中的优势

1）ADCP可克服水草影响。ADCP法测船的航迹可以是斜线或曲线，当有水草通过测流断面时，测船可以绕过水草，继续测流，而流速仪法则不可以，需要将水草除去，或者待水草流过后再进行测流。

2）ADCP测验速度快、效率高。传统测验方法一个测验过程一般需要3～4人，驾驶车辆、操作仪器、记录数据各有分工，并且很难兼顾其它，且仪器下面有铅鱼配重，劳动强度较大，特别是洪水涨落幅度较大和人工手提仪器悬索测流时，对操作人员的体力更是较大考验。ADCP测验由电脑操控，现场不需要人工记录、计算，测船一个测回即可测得断面的流量、平均流速、最大流速、面积等水文要素，从而大大降低了测验人员的劳动强度，节省了人力物力。

3）与传统流速仪测流相比，其仪器分辨率、测速精度有较大的提高，并具有连续不间断测量、高频次测量、断面流量过程线一目了然等优点。其采用的深度单元最小尺寸为0.05 m，即水深为1 m时，可将垂线划分为20份，相当于传统流速仪法的“二十点法”，仪器分辨率大大提高。

4）传统测验要预先在施测河段进行水尺的设立和测量以及大断面的测量，掌握河道断面的基本情况，ADCP不需预先测量和布设，在测流的同时各种断面信息和水文要素即计算和显示出来。机动性和便利性大大凸显。特别适用于无断面资料和水文资料河段，突发洪水及决口河段的测验任务使用。

5）ADCP流量测量精度比流速仪高。经过在大麻湾水文站多次测流对比实验，只要严格按步骤操作，则半测回流量值与平均值偏差均小于5%。

6）ADCP测验生成的声学多普勒流速仪流量记载表能直接应用于水文资料整编程序进行整编。

7）操作简便，测验效率高，适合于巡测。

8）ADCP是声学测验设备，在含沙量较大的水流中其发射和接受的信号会被泥沙颗粒散射，所以测量成果受河流含沙量的影响较大。这限定了ADCP使用也只能是在含沙量小的情况下，在含沙量较大河流中是无法发挥其作用的。

青岛地区平原测验河段的含沙量比较小，不会对其产生影响，因此，ADCP比较适合在青岛地区水文测验中应用。

3.2 ADCP在水文测验中注意事项

1）在应用ADCP进行流速流量测量时，为了取得最佳测量结果，应针对不同测验河段、测验断面的具体情况，在测流前要进行ADCP系统的检测和配置，正确设置仪器参数，否则会出现测验数据不全面或测验精度降低等问题。

2）ADCP是声学测验设备，较多的泥沙颗粒将会削弱仪器声波的发射和接收，所以测量成果受河流含沙量的影响很大，有关专家建议该仪器使用的条件为含沙量不大于10 kg/m3。即该仪器只能在含沙量小的情况下使用。

3）青岛地区的河流大多属于平原性河流，流速较小，洪水的起涨和回落时间持续较长，洪水流速一般在0.20～1.00 m/s之间。而ADCP要求测船的船速不能高于流速，限制了测船的行进速度，一定程度上延长了测验的时间。因此ADCP不太适用于流速较小的河段测验。

4）ADCP水下换能器是全封闭的，在出现故障的情况下无从着手，不能自已检查、更换；主板比较昂贵，一般不可能备用；维修不方便，出现故障将会影响流量测验，因此，要严格按照操作程序使用和管理，确保仪器正常使用。

5）支持信号发射电台的电源续航能力不高，用于计算测验数据便携式电脑电池续航能力也不高，在高频次的流量测验和多个断面的巡测过程中会产生很多不便。

4 效益分析

ADCP作为世界上最先进的流量测验设备，应用于水文测报中，不但提高了水文现代化水平，也提高了测验精度和测洪能力，极大缩短了水文信息采集的时间，为防汛抗洪、水资源开发利用和保护提供了准确及时的水文信息。

ADCP的使用，改变了水文测验传统落后的测验方式，流量、流速、水深、面积等水文信息由人工测验记录变为先进的自动采集传输，实现了测报自动化，减轻了劳动强度，提高了劳动生产率和职工工作积极性，提高了水文的社会地位。

（责任编辑 赵其芬）

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1009-6159（2014）-12-0007-02

2014-05-29

李吉林（1966—），男，工程师