ADCP在万泉河航运工程水文测量中的应用

刘彦祥

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456）

ADCP在万泉河航运工程水文测量中的应用

刘彦祥1，2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456）

ADCP是20世纪80年代初发展起来新型测流声呐设备。因其对被测流场无干扰，并能通过声遥测方式获取高精度的水文信息而被广泛应用于水运工程领域的流量观测中。文章通过简要介绍ADCP的工作原理及其在工程实践中的应用情况，总结了ADCP在应用中的主要工作流程及注意事项，展望了ADCP直接获取准确、可靠的水文信息数据（如含沙量、水下地形及流态等）的应用前景。

ADCP；多普勒效应；频移；换能器；含沙量；水深测量；流态

海南岛被誉为世界上“少有的几块未被污染的净土”，“充分发挥海南的区位和资源优势，建设海南国际旅游岛，打造有国际竞争力的旅游胜地”，使之成为一个具有生机和活力的国际旅游目的地。开发以内河水运为载体，带动内河沿线以游客乘船由单个景“点”到河流沿“线”为格局的旅游产业成为发展热带海岛旅游、生态建设的重要引擎。万泉河作为海南省内河航运的重要组成部分，其开发建设首当其冲。为准确、全面的解决万泉河航运工程工可研、建设设计和相关数学模型计算等技术问题，需要在该区域进行相关的原型观测工作［1］（包括水文全潮观测、流量观测、潮位观测、流路观测等）。

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪）是一种融合了多学科技术而研制的新型测速声呐设备，与AWAC（俗称“浪龙”）［2］等一同被称为水声技术的典型应用。作为一种新型声学流速测量设备，ADCP在各类水运工程（包含内河、海洋）中得到了极为广泛的应用，人们尤其是设备研制人员对声学多普勒测流技术研究的关注热度与日俱增。目前市场上的测流设备常见的是直读式测流仪和声学多普勒测流仪，另外还有压力式、电磁式海流计等。声学多普勒海流计是目前使用量最大的一款设备，它采用声遥测方式，且不干扰被测流场，并可获得高精度的速度信息，被国际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一，因此，作为水资源调查中不可或缺的重要测流设备，ADCP成为目前最广泛应用的测流仪器。

与传统测流设备相比，ADCP具有速度快、用时短、分辨率高、精度高、信息量大、资料完整等特点。所以，近年来，ADCP在航运及水工建设、研究等领域得到了广泛应用和推广，并取得了良好的效果，如三峡工程、上海洋山深水港与东海大桥，杭州湾跨海大桥、在建的港珠澳桥隧工程，长江、珠江等内河水系，沿海港口及风电、核电等工程。尤其在首次开展ADCP与DGPS、测深仪等设备集成试验中解决了在洪水期使用ADCP时遇到的高含沙量水流、流态流场多变且水底存在推移质运动、磁罗盘受铁壳船干扰等问题［3］。亦可将ADCP实时海流信息经处理后应用于ECDIS（electronic chart display and information system）客户端［4］，实现实时动态导航，确保通航安全。

本文通过ADCP在万泉河航运工程水文测量中的应用研究，归纳总结了ADCP的主要工作流程以及注意事项。

1 ADCP工作原理

1.1 多普勒效应

波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象；如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小，这便是著名的多普勒效应（奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年首先提出这一理论）。它不仅适用于声波，同样适用于所有类型的波，包括电磁波。ADCP就是利用声波的多普勒效应发展起来的一种新型测流设备，它是一种既可测量相对水底速度，同时又可以兼顾测量相对水流速度的声呐设备。

ADCP利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取水流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层的流速的三维分量和绝对方向［5-6］。

1.2. ADCP测流原理［5-7］

水体中存在着大量的散射体，如微粒子、浮游生物等，它们与水融为一体并随水体流动，其速度即代表水流速度。当ADCP向所处水体发射声波脉冲信号，该信号被随水体运动的、悬浮的散射体产生反射，ADCP再接收和处理这些回波信号，进而获得相关流体的信息数据。依据多普勒原理，因ADCP和散射体间有相对运动，发射声波与散射回波频率间就存在一个多普勒频率，这种频率的变化完全取决于反射体的运动速度。通过测量该多普勒频移便可直接算得ADCP和散射体之间的相对运动速度。如若将水流分为若干层，通过测量即可获得所测水流各层相对ADCP的流速剖面。ADCP换能器既是发射器又是接收器，它从根本上摆脱了机械式仪器的测验原理。

一般地，ADCP工作频率的大小与作用距离和空间分辨率有一定的关系，即：频率低则作用距离远而空间分辨率低；频率高则作用距离近而空间分辨率高。因此，在具体工作时应根据作业目的来进行折中。这种频率的变化完全取决于所测水体中反射体的运动速度，即水流速度，这样，ADCP便可根据该多普勒频移计算出相对于ADCP的流速值。

当ADCP向所测水体发射的声波脉冲信号被水体中悬浮并随水体运动的散射体反射后，ADCP可以根据被反射到ADCP的声波脉冲信号和ADCP发射的声波脉冲信号频率的差异（即多普勒频移），计算出相对于ADCP的流速大小

式中：V为相对于测船的水体流速；Fd为声学多普勒频移；Fs为发射声波脉冲信号频率；c为声波脉冲信号在水体中的传播速度（不计盐度和深度），即

式中：T为换能器附近的水体温度。

ADCP一般配备有四个换能器，每个换能器轴线即为一个波束坐标，各换能器测得的流速均为沿其波束坐标方向的流速值，且任意三个换能器轴线便组成一组相互独立的空间波束坐标系。另外，ADCP也有其自身的一套坐标系（即局部坐标系）：X-Y-Z。Z方向同ADCP轴线方向一致。ADCP先测出各波束沿其自身波束坐标的流速分量；之后，再利用波束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系（该关系取决于波束角）将各波束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速；最后应用罗盘和倾斜计提供的方向和倾角把X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速，这样就完成所测水体的实际流速。

2 ADCP测流时的工作流程及注意事项

水文测验区域位于海南省琼海市万泉河（嘉积-博鳌段），水文测验中包括对7个断面进行枯、中、洪水期三次断面流量测量。此次测量采用美国RDI公司的多普勒流速仪Workhorse ADCP（频率为1 200 kHz），该仪器具有走航功能，测量方便精确，同时提供流量、流速和流向数据。仪器的精度为测量值的0.25%±2.5 mm/s，可设置分层厚度为0.25～2 m，测量范围15 m，测量流速范围0～5 m/s。根据测区情况，选择测船长3.5 m、宽1.5 m，操纵灵活、吃水小。

水文测验工作采集的大量信息是工程研究、设计和建设的基础，这些信息数据是否准确，直接影响到方案设计的合理性、工程实施后的可靠性和相关研究工作的真实性。但在实际测验工作中，受环境、人为因素以及设备本身的影响，各项测验数据均存在一定的误差。只有充分考虑影响数据的各项误差来源，才能确保采集数据的可靠性和准确性。通过ADCP在万泉河航运工程水文测量中的应用，对其在测流工作中的流程、相关注意事项等归纳总结如下。

2.1 ADCP测流工作流程

2.1.1 测前准备

（1）设备安装校准。为消除ADCP在动船过程中颠波可能产生气泡的影响，ADCP安装时的入水深度不宜小于1 m。依据船形与所使用的ADCP规格及入水深度，设计安装架垂直主杆的长度，将ADCP固定在测船侧舷，使3#换能器位于测船前进方向，并使3#和4#换能器连线方向与测船龙骨方向平行，以确保所测流向的准确性。导航可以使用GPS或电罗经，电罗经一般要求安装在测船龙骨附近，且尽可能使电罗经零方向与测船龙骨方向平行，安装完毕后应在断面上进行定标试验，以微调电罗经零方向；并测定罗经零方向与测船龙骨方向的夹角的校准值；安装GPS定位设备时，尽可能使接收机天线与ADCP测流设备位于同一垂直面且保证天线稳固，当二者位置有偏差时，应进行固定偏差改正。对于GPS定位设备，使用前应在已知点上进行稳定性测试检测，确保导航位置信息准确。

（2）现场联机测试。现场技术人员应对ADCP、GPS和电罗经进行检查，确保通讯和供电正常。同时采用BBTalk软件进行联机测试，确保各通讯信息正常，所有传感器均处于正常状态。

（3）与常规流速流向仪比测。在断面流速较大的中泓附近将ADCP与常规流速流向仪进行比测，采集的样本不少于30次，并对两者的资料进行对比分析，以确定断面上是否有底沙运动及ADCP的测流精度，记录比测资料及分析成果；如有底沙运动，应分析底沙运动流速范围大小，为资料的处理提供依据。

2.1.2 水文测验

（1）参数设置：参数设置需要依据断面形状及其水文特性、船速、ADCP的型号与技术要求综合分析而确定。本次测验使用Workhorse系列ADCP（1 200 kHz），采集软件为WinRiver（V1.0）。根据现场情况，各参数设置如下：最大水深15 m；最大流速3 m；层厚0.25 m；盲区0.25 m；吃水0.6 m；底质主要为砾石。

（2）时间校正：必须以GPS的时间为依据，严格校对ADCP和GPS两者之间时差，确保两者之间的时间差小于1.0 s。

（3）建立结构文件：将ADCP的入水深度、通讯端口、记录数据的存放目录、电罗经安装零度方向与测船龙骨夹角的校准值、ADCP时间校准等、测验过程的显示方式及指令构成ADCP测验的结构文件。

（4）导航：为保证测验过程中测船沿断面航行并获取高精度定位数据，在进行ADCP的测验过程中宜使用DGPS（或RTK GPS）进行导航定位。本次导航采用美国Trimble公司DSM212/DSM212L型GPS接收机，具有差分信号接收功能，数据更新率10 Hz，经现场测试：差分模式下内符合精度为±0.3 m，实时动态定位精度优于±0.75 m，满足本次导航测量精度要求。

（5）水文测验：由多年从事水上测量经验的人员驾驶测船，按照DGPS导航在设计断面位置进行测量，并尽量使测船匀速行驶。从右岸开始到左岸结束，船速不超过1.5 m/s，再由左岸到右岸观测。两次观测的流量值之差不大于平均值的5%即为合格。

2.1.3 数据处理及报表统计

（1）ADCP断面流量计算。ADCP数据处理过程主要有垂线上下盲区流速的插补、断面左右岸边滩盲区流量插补和ADCP二进制文件转换为ASCII文件后流速流向流量的编程计算。

（2）垂线上下盲区流速的插补。垂线上下盲区流速的插补有两种方式，其一：根据常规流速流向仪实测的流速流向资料，分析率定断面流速沿垂线分布的模型，ADCP上下盲区按照模型进行插补；其二：直接参照理论上常规流速流向分布模型。如本次测验经多次比测（与常规的海流计同步观测）资料分析，垂线上下盲区的流速的插补模型为，上盲区流速流向为ADCP所测第一个单元的流速流向，下盲区流速为ADCP所测最后一个有效单元的流速乘以0.72，流向为ADCP所测最后一个有效单元的流向。

（3）断面左右岸边滩盲区流量计算。断面左右岸边滩盲区流量计算有两种方式：当ADCP在断面上固定的起点和终点上航行测验，并且有分析成果说明，测验起点和终点间的流量所占断面总流量的比值恒定，则根据实测流量除以其所占的百分比即为断面；当ADCP每次在断面上不同的的起点和终点上航行测验时，则边滩流量按常规多垂线测流时边滩流量的计算方法计算，即根据ADCP开始和结束时所测的垂线流速乘以岸边流速系数乘以垂线距岸边的距离。本次测验经多次分析后，采用第一种方法计算边滩盲区流量，流量比例系数为72%。

（4）生成报表。由WinRiver软件将原始数据处理成数据文件，经过整理后形成数据报表。再将从左岸到右岸的数据分段处理，最终生成流速、流向及流量等报表。

2.1.4 工作中出现的问题及解决方法

由于本项目工作准备相对充分，工作中出现了以下特殊情况，先后经分析研究，重新制定了测验方案，为进一步确保数据质量奠定了基础。

中水期现场测量时，因水位突变导致同一断面不同测次的流量值变化较大（两次流量差值大于5%）。后经了解得知上游水闸放水而未通知测验项目组所致，为了确保采集数据的质量，后经与水闸管理部门协调重新确定了观测时间。再次现场测量时，除了做好与水闸管理部门的及时沟通确认外，测区内上游投放了潮位遥报装置，测船上安装了可以实时接收遥报潮位的终端，并具有瞬间潮差变化预警提示功能。这样可以实时保证流量测验期间水流相对平稳，确保数据采集的质量。

2.2 工作过程中的关键点及注意事项

ADCP在万泉河航运工程水文测验中发挥了极大的作用，为准确、全面的解决万泉河航运工程可研、设计和建设以及相关数学模型计算等提供了详实可靠的水文数据资料，也为ADCP今后的应用积累了一定的实践经验。根据作者的工作体会，对ADCP在测验工作中的关键点及注意事项归纳如下：

（1）数据处理时正确处理盲区。主要处理方法有两种：其一，根据常规流速流向仪实测的流速流向资料，分析率定断面流速沿垂线分布的模型，ADCP上下盲区按照模型进行插补；其二：直接参照理论上常规流速流向分布模型。这两种方法可根据项目本身情况相互检验。

（2）现场测验过程中，技术人员实时监视ADCP测验动态采集过程，并如实填写工作记录薄，为数据处理提供分析的依据；若出现底部跟踪信息的质量欠佳，应立即现场分析原因，采取有效措施，并将相关情况汇报至项目负责人或技术负责人。

（3）ADCP测验期间应每5 h需重新校对ADCP时间，如时间误差大于2 s时，现场技术人员应在工作记录薄中如实填记时间误差值，重新校对ADCP时间（使之与GPS时间一致），确保两者时间同步。

（4）感潮河道易受潮流、径流及风浪影响，测量时应注意河道（尤其是河道断面较长的情况）水体温度、盐度等变化对声速的影响，由此产生观测数据失真的情况。

3 结语

与传统的测流技术相比，ADCP具有操作简便、信息丰富、精度高、用时短等突出优势，在该项目中发挥了重要的作用，不仅节约了劳动力，而且还提高了水文信息化程度，尤其在大批量数据的自动化预处理方面，大大提高了工作效率。

根据ADCP工作原理，利用ADCP存储的回波强度数据和定位数据，结合率定值，便可反演水体含沙量和水深值。有关文献［8-10］也充分证明：ADCP在水体含沙量、水下地形地貌调查及三维流态（尤其在河口与感潮河段）测验等方面同样具有进一步拓展的应用空间，其应用还有待于进一步研究与推广。所以，充分挖掘ADCP的最大化应用，逐步提高测量数据精度，实现ADCP“零”盲区测量等问题是今后应用研究的关键。

相信，随着科技的不断进步和人们对水与声波等认识的不断加深，ADCP将向轻巧、精密、智能、多功能、多用途方向发展，在水文信息化、智能化以及未来其他方面的应用与研究将更加广阔，应用ADCP可直接获取用于工程或科研应用领域高度集成的数据信息（如含沙量、流态、水深等）将更加准确、可靠。

参考文献：

［1］刘彦祥，卢佐.万泉河（加积—博鳌）航运工程工可研原型勘测技术报告［R］.天津：天津水运工程勘察设计院，2010.

［2］耿宝磊，张慈珩，文先华，等.“浪龙”波浪观测数据中潮位影响的消除方法［J］.水道港口，2014，35（2）：99.

GENG B L，ZHANG C H，WEN X H，et al.A method to remove tide effect for wave observation data by AWAC［J］.Journal of Wa⁃terway and Harbor，2014，35（2）：99.

［3］杨丰，杨俊青.多普勒法测流技术简介［J］.水文，2004，24（2）：59.

［4］卓巨.ADCP实时海流信息在电子海图上的显示［D］.大连：大连海事大学，2010.

［5］杨鲲，吴永亭，赵建虎，等.海洋调查技术及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2009.

［6］GB/T 24558-2009，声学多普勒流速剖面仪［S］.

［7］卢佐，刘杰，刘彦祥.ADCP在黄骅港水文测量中的应用［J］.水道港口，2006，27（S0）：6.

［8］吴清松，潘伟然，张国荣，等.ADCP在琼州海峡悬沙观测中的应用［J］.厦门大学学报（自然科学版），2009，48（1）：144-148.

WU Q S，PAN W R，ZHANG G R，et al.Use of an ADCP to compute suspended sediment concentration in the Qiongzhou Strait［J］. Journal of Xiamen University（Natural Science），2009，48（1）：144-148.

［9］张辉，危起伟，杨德国.利用ADCP测流数据建立河床DEM方法研究［J］.地理空间信息，2007，5（5）：114-116.

ZHANG H，WEI Q W，YANG D G.Method for using ADCP's data to build DEM for the Riverbed［J］.Geospatial Information，2007，5（5）：114-116.

［10］王步杰.ADCP在西牛航运枢纽流态测量中的应用［J］.广东水利水电，2010（6）：68-70．

Study on application of ADCP in hydrological surveying for shipping project of Wan⁃ch′uan River

LIU Yan⁃xiang1,2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)is a new type of flow measuring sonar device in the early 1980 s,and it has been applied widely in flow measurement of the field of shipping project because of its non⁃inter⁃ference on the field of flow measured and through the way of obtaining acoustic telemetry hydrological information with high accuracy.With the systematic and comprehensive introduction of the theory and characteristics of the AD⁃CP,and the application of ADCP in Project of Wan⁃ch′uan River,summaries of the processes and problems&solu⁃tions and considerations of applications of ADCP in engineering were obtained.The prospect of acquiring the accu⁃rate and reliable hydrological data(such as concentration and flow sediment,sounding etc.)directly using ADCP were written in the end.

ADCP;doppler effect;frequency shift;transducer;sediment concentration;sounding;flow pattern

TP 315；U 675.7

A

1005-8443（2016）03-0320-05

2016-01-19；

2016-03-23

刘彦祥（1974-），男，宁夏人，高级工程师，主要从事工程勘察及水运工程测绘技术研究工作。

Biography：LIU Yan⁃xiang（1974-），male，senior engineer.

唐山港两工程获批

本刊从河北省交通运输厅获悉，唐山港京唐港区25万t级航道工程和四港池25万t级航道工程可行性研究报告不久前已获得省发改委批复。两个项目共计投资约26亿元，是唐山港京唐港区“十三五”期间重点建设项目。这两个25万t级深水航道建成后，能够充分发挥京唐港区25万t级航道优势，实现20万t级以下的散货船全天候进出港。（殷缶，梅深）