走航式ADCP技术在测流中的应用

于 泽

（松辽委水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江 抚远 156500）

0 引言

水文站流量测验是水文工作者的重要任务之一，使用声学多普勒测流剖面仪测河流流量是一项先进的技术，在测流期间应用效益极高。声学多普勒剖面流速仪ADCP（Acoustic Dopplcr Current profilers的简称），它是利用声学多普勒原理研制的，河流流速、流量实时测量设备。它利用超声波多普勒频移的物理原理，以很高的分辨率测量水流的瞬时流速，同时测量河流深度或河宽度，从而直接计算出河道的断面流量。

1 工作原理

从原理上讲，ADCP利用声学多普勒效应进行测流，通过利用换能器发射一定频率的声波，该声波在接触到水体中悬浮颗粒物质散射回来的声波信号，悬浮颗粒物质随水体流速影响而飘移，从而产生多普勒频移，由换能器发射声波频率与回波频率之差测算水流速度。走航式ADCP进行走航流速剖面测量，这时测得的“速度”是船速和水流速度的矢量和，去掉船速得到的才是真正的流速。因此采用“底跟踪”技术。ADCP底跟踪技术是通过信号的接收和处理和的回波信号，跟踪测船相对于河底的运动速度（即船速），从而可知流速实测值。

ADCP装有4个换能器，每个换能器都与声学多普勒剖面流速仪的轴线构成一定的夹角，所测到的水流速实际上是水流沿其声束坐标方向的速度，需要借助声学多普勒剖面流速仪上的罗盘和倾斜仪，才能把相对于其坐标系上的三维流速转换成地理坐标下的三维流速。每个换能器都具有发射和接收功能，换能器发射一个声波，而后一直等待接收该声波被水中的悬浮颗粒物质散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度与水流速度相同，当颗粒物的运动方向是接近换能器时，此时换能器收到的回波频率比发射波频率高，反之当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率低，发射声波频率与回波频率之差（即声学多普勒频移）由式（1）计算：

式中：Fd为声学多普勒频移；F为发射波频率；V为颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）；C为声波在水中的传播速度。

与传统流速仪相比，ADCP可以测量其距离一定范围内的多点流速，则一台ADCP可以替代多台传统流速仪进行同时工作。

2 实际应用

2.1 抚远水文站概况

抚远水文站位于抚远县境内，抚远县地处黑龙江、乌苏里江交汇的三角地带。东、北两面与俄罗斯隔黑龙江、乌苏里江相望,南邻饶河，西接同江。

2.2 走航式ADCP的应用

传统的流速仪测流量的方法是在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测得水深，从而获得断面面积，再用流速仪测得各点流速，从而得到垂线平均流速。由于抚远站江面较宽，流量测验期间ADCP采用走航式有线连接模式进行流量测验，将ADCP仪器的水下换能器垂直固定在测船上。当测船从测流断面某岸航行到彼岸时，即可采集到计算流量所需的全部数据，包括河流深度和宽度、实测流量、水流速度和仪器在河流中的水平位置，该位置是通过使用底跟踪技术对河底的速度测量算出的。它的突出特点是能测出垂直于航线的流速分量：流量的测量结果不受选用的航线影响，可以选取垂直航线，斜航线。因此降低了人工驾驶测船航迹产生的误差，从而大大方便了流量测验作业。

2.3 测船性能及仪器设备参数设置说明

抚远水文站洪水期间流量测验的测船采用铝制，4.5 m（长）×1.5 m（宽）的冲锋舟，机器采用YAMAHA48，吃水深度0.30 m，行驶速度稳定，便于测流作业。仪器使用ADCP一套，仪器是美国RD Instruments公司生产的走航式声学多普勒剖面仪。流量测验期间采用有线连接模式、类型频率为瑞江600 kHz，ADCP的换能器，入水深度为0.45 m适宜。当风浪较大时候，ADCP数据稳定，不会出现丢底现象，使测验结果数值准确有效。在短期测验中，一般选取WinRiver缺省的系数，或规范规定的系数，但是当长期在一个固定断面上测流，宜与流速仪测验结果建立边部流量相关关系，确定该断面的边部流量系数。抚远水文站通过对比分析求得左右岸边流量系数约为0.70。底、顶部流量估算方法：幂函数（0.1667），岸边数据组10，采用底跟踪模式。测船上装载笔记本，蓄电池，电子测距仪等。流量稳定时，进行2个测回断面流量测验，取均值作为实测流量值。流量测验作业严格按照《声学多普勒流量测验规范》进行。

2.4 成果资料

在此次抚远县遭受百年一遇的洪水期间，使用ADCP进行了多次流量测验工作，得出抚远水文站在洪水期测流断面最大宽度高达1800 m，最大水深超过19 m，此次洪水期间共完成测流得到有效数据40余次，通过数据整理获得了高水位期抚远站大断面图、水位流量关系曲线图，以及对洪水的传播分析等。

3 结语

声学多普勒剖面流速仪目前广泛应用在流量测验中。在洪水期利用ADCP替代传统的流速仪，既提高了工作效率，又提供及时有效数据，对洪水期分析洪水传播提供准确的数据支持，为应对防洪抗灾工作提供有利条件。此次洪水期间抚远江段使用ADCP进行全江的流量测验，得出的数据不但填补了多年来无全江断面流量数据的空白，也为抚远水文站的水文工作奠定了坚实的基础。

[1]林辉勇.声学多普勒剖面流速仪在河流水文测验中的应用[J].中国水利，2003（18）.

[2]蓝标.曲娟声学多普勒剖面流速仪ADCP及其在水文测流中的应用[J].气象水文海洋仪器 2011，28（4）.

[3]SL337-2006，声学多普勒流量测验规范[S].