ADCP 基本原理及比测试验

赵胜凯

河北省石家庄水文水资源勘测局

流速仪施测流量的测量成果可以作为率定或校核其他测流方法的标准。ADCP 是目前世界上比较先进的河流流量实时测量设备，为加快石家庄水文现代化建设，近年来河北省石家庄水文水资源勘测局先后引进3 台走航式ADCP 测流设备。为了率定ADCP 与流速仪测流折算系数，在2008年南水北调京石段应急供水期间，利用石津渠测流断面对走航式ADCP 测流与流速仪精测法测流进行了比测试验，并对取得的换算系数进行了水文检验。通过对参数修正，提高了该仪器测验精度，达到正式应用的目的。

ADCP 是 英 文“Acoustic Doppler Current Profiler”的缩写，中文译为声学多普勒流速剖面仪。ADCP 是当今测流仪器中先进设备的代表，专门用于河流、水渠或狭窄海峡的流量测量工作，该仪器性能稳定，是一种快速、有效的测流设备。当安装有该设备的测船从河流某断面一侧岸边运行至另一侧岸边时，就能实时测出并显示该河流的流量、水深及断面面积，与传统的流速仪侧法比较省时、省力，效率大大提高。

ADCP 基本原理及流量计算

基本原理

我局ADCP 配有换能器四个，ADCP 轴线与换能器成一固定角度，四个换能器既发射信号又接收信号，换能器发射的是声波脉冲信号。这些声波脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，换能器接收并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP 的速度。同时，还向河底发射底跟踪声波脉冲，测出ADCP 安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：

式中：Fd为声学多普勒频移；F 为换能器发射频率；V 为水体悬浮颗粒沿声波方向的移动速度（即同声波方向一致的流度）；C 为声波在水中的传播速度。2 为系数，因为ADCP 的换能器既发射声波束又接收回波，所以多普勒频移要加倍。

比测试验

本次比测试验的比测断面位于石津干渠向南水北调总干渠分水口前150m，该断面为浆砌石断面，无冲於变化。ADCP 设备按技术要求安装在三体船上，利用缆道拉动测船进行流量测验，在同一断面，同一缆道进行流速仪精测法流量测验。

参数设置

本次比测试验，根据测验河段的实际情况对ADCP进行了参数配置，以使其达到最佳的流量测验成果。

比测时ADCP 主要设置参数如下：

测试单元深度：10cm；

测试单元数量：30 层；

水体发射脉冲次数：5；

底跟踪发射脉冲次数：4；

水体含盐度：0.0 ppt；

比测时流量测验模式：wm1。

流速仪采用LS25-1 型，在整个断面布设9 条垂线，每条垂线布设3 个测点。

流量比测

安装有ADCP 的测船固定在跨河道的缆道上沿着测流断面线匀速运行进行测量。从左岸开始进行测量到右岸结束，再从右岸开始测量到左岸结束，这一个往返为一个测次。一个测流过程为两个测次，四个来回。然后利用ADCP 程序计算出4 次流量的平均值和流速仪精测法计算出的流量进行比较。

流速仪精测法使用同一缆道，沿同一断面进行测量。在断面上布设9 条垂线，每条垂线上布置3 个测点，共计27 个测点，然后根据水文规范要求计算出流量与ADCP 进行比测。

面积比测

此断面为人工浆砌石断面，表面较光滑，无冲淤变化，用流速仪法测流时，断面面积采用实测大断面成果计算。用走航式ADCP 测流时人工输入左右岸水边距离，其余断面数据均由仪器实测，然后将结果进行比较。

资料整理分析

根据石津渠站34 次对比观测实验资料计算出流量平均相关系数为0.93、断面面积平均相关系数为1.01、平均流速平均相关系数为0.92。以ADCP 实测流量值为横坐标，以流速仪实测流量值为纵坐标，建立相关关系。比测实验流量计算成果见表1，流量关系式为。

表1 石津渠站比测试验流量计算成果

为了检查流量相关关系正确性，要对相关关系曲线进行符号检验、适线检验、偏离系数检验和定线经度计算。

符号检验

式中：μ 为统计量；n 为测点总数；k 为正号或负号个数。

适线检验

式中：μ 为统计量；n 为测点总数；k 为变换符号次数，k＜0.5(n-1)时作检验，否则不作此检验。

偏离数值检验

标准差

式中：se为实测点标准差；iQ 为第i 次实测水面蒸发量；Qci为与第i次实测值相对应的关系曲线上的水面蒸发量；n 为测点总数。

三种检验和标准差计算结果见表2，计算误差均在要求范围之内。

表2 走航式ADCP 与流速仪流量比测实验三种检验及标准差计算结果

断面面积测量偏差：用流速仪法测流时，断面面积采用实测大断面成果计算，数据可靠。用走航式ADCP 测流时人工输入左右岸水边距离，其余断面数据均由仪器实测，走航式ADCP 测流时有盲区，因此实测面积偏小。经计算，多次平均相关系数为1.01，系数偏小0.05%。

断面平均流速测量偏差：用流速仪法测流时，每个测点流速100s，基本消除了流速脉动的影响，而用走航式ADCP 测流时的流速是瞬时流速，受脉动影响较大。走航式ADCP 测流时实测断面平均流速偏大。经计算，多次相关系数为0.92，系统偏大15.3%。

在断面面积测量偏差和断面平均流速测量偏差综合影响下，走航式ADCP 流量成果与流速仪精测法流量成果的折算系数为0.93。

结语

通过走航式ADCP 与流速仪精测法流量比测试验，二者换算系数为0.93，造成走航式ADCP 流量成果偏大的主要原因是断面平均流量测量偏差，断面面积测量偏差影响较小。经过修正之后的流量均值满足水文测验的精度要求。