ADCP测流基本原理以及在引黄济青中的应用

程亮

ADCP测流基本原理以及在引黄济青中的应用

程亮

引黄济青流量测验是确定引水、调水和分水流量的重要任务之一，也是检验泵站机组有效功率的重要手段之一。传统引黄济青输水渠道流量测验主要采用单点流速仪法，既费时效率也很低。ADCP测流的数据采集、传输、存储全部通过电脑控制操作，自动化程度高。在引黄济青中ADCP的使用比传统测验方法效率提高几十倍，准确化程度高，标志着引黄济青输水渠道流量测验的现代化，被称为是流量测验领域的又一次革新。

ADCP测流原理：

ADCP是声学多普勒流速剖面仪的英文简称,即Acoustic D o p p l e r Current Profiler，是20世纪80年代初发展起来的一种利用声学多普勒原理测量水体流速剖面的仪器，根据测定水体中微颗粒声后向散射的多普勒频移来测量水体速度，它的换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号。由于悬浮物质随流漂移，使该回波信号频率与发射频率之间产生一个频差，即多普勒频移。根据这一频移的大小和符号(正负)，即能计算出流速和流向。由于声速在一定深度范围内(表层至几百米深度)的水体中的传播速度基本不变，根据声波由发射到接收的时间差便可确定深度。一台ADCP可以顶替若干台传统的流速仪，在使用ADCP测流时，设置不同厚度的深度单元，即将测流断面分成若干个子断面,利用不断发射的声波，确定一定的发射时间间隔及滞后，通过多普勒频以及谱宽度的估算，便可得到整个水体剖面逐层上水体的流速；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，再将各个子断面的流量迭加，即得整个断面流量。

目前，针对水体流速测量，ADCP主要包含定点式和走航式两种测量方式，定点式测量是在水流固定点上安装ADCP，例如水面桥墩，利用ADCP测量水体，因仪器在固定一点上测量数值，所以，测定水体所得数值为真实值，可直接应用于数据处理。而走航式测量将ADCP安装于船体水下部分，通过船体移动检测水体，因ADCP在移动状态下测量数据，所以测定数据是一种以船体作为参照物的相对测定值。假设水体流速与水体颗粒物的运动速度相同，ADCP对颗粒物运动进行水跟踪，获得速度与ADCP速度相对。如果ADCP平台安装固定，水跟踪所得流速就是水流绝对速度。若ADCP为移动安装，水跟踪所得相对速度扣除平台移动速度，即可获得水流绝对速度。

ADCP测流在引黄济青中应用实例

测定流量时，因ADCP的频率范围较为固定，只可反射出范围固定的声脉冲，所以对于剧烈运动水体，在展开声脉冲发射过程中，由于水体内的脉冲反射物质增加，对声脉冲反射频率造成影响。例如，在引黄济青输水渠道的弯道、倒虹进出口、桥墩等，因水体出现较大的强烈运动，水底所沉积泥沙、淤泥，随着水体运动发生翻腾，许多泥沙运动影响了声波换能器手机反射的声脉冲，导致脉冲频率不能够得到准确测定。因此应仔细挑选测定地点，选取稳定的流速水体和规则流速断面，展开声脉冲频率测定，确保脉冲频率能够最大范围防止外界干扰，提高声脉冲频率测量准确度。把ADCP设备按技术要求安装在测船上，采用走航式测量方式，在引黄济青宋庄泵站下游、引黄济青王耨泵站下游、引黄济青方家屯泵站分水口上下游选择了水流较为平稳、断面较为规则的地方进行了多次实际测流。具体测流如下：

主要的测流过程及注意事项：

从岸边慢慢移动，船尽量向上游移动。当船驶离岸边时，船的启动过程要缓慢驶离岸边并且要到达对岸前也要放慢速度，其目的是不让船速过快。选择岸的方向应该选择面向下游的方向来确定左岸还是右岸，左侧是左岸，右侧是右岸。

为了更好的测量结果，船的速度要尽量小于水流的速度,使船尽可能向上游方向逆流而上，可以使得船速慢下来并且可以保持航向垂直于断面进行航行，测量的结果会更准确一些。

在河两边靠岸处测量出两个深度单元的位置要确定好，并且做好标记，他们代表了该断面用来测量的起点与终点的位置；当达到起点或终点那个位置时，要准确测量出该点与岸边的距离,当达到需要估算岸边流量的地方时，要尽可能地让ADCP不要移动。

采集至少往返3个测回，并允许样本数据误差不超过5%。

资料数据整理分析

以王耨泵站后测流为例，ADCP原始测流文件结果形成如下图：

由上图数据可知，测流时间、最大流速、最大水深、平均水深、渠道的宽度、各层流量（底部、中部和顶部）、船速、离岸的距离以及开始和结束的时间等等在电脑屏幕上非常直观的显现出来，同时实测数据都储存在计算机中,可以进行各种必要的后处理作业,根据需要整理成不同形式的成果。此次测量了三个测回，测的平均总流量为28.3m³/s，误差为2%，根据《声学多普勒流速仪测流规范》，符合规范要求。与此时王耨泵站的机组运行情况相比较，基本符合泵站机组的有效功率。

误差分析：根据结果分析，虽然仪器采用了零盲区技术，但渠道两边有较宽的坡面，无法正常施测，即岸边盲区，所以最终结果进行了技术修正。由于是第一次试验测量，没能选择到合适的参数，因此，要多试验几次，选择到合适的参数之后不要随便改动，除非测量环境发生变化。作业船速是影响流量测验精度的重要因素，即在测流过程中应根据河流流速状况，控制适宜船速，确保测验精度和安全。此外，水中含沙对“底跟踪”的影响、船对罗经的影响等都会影响ADCP正常工作，由于船体的上下晃动，埋深有较大的变化，要保持仪器水下埋深波动不大，最佳方式是采用软性连接，能较好地解决这一缺陷。

ADCP的发展前景

ADCP是水流流量测定最为科学、最为先进的水体检测设备，可有效节省人力测量，提高流量测验数据精确性。随着在实践中获得较多的检测成果，加上科技技术的推动，ADCP测流将更多普及于引水调水分水等专业领域，测流数据精度更加准确，数据测量范围更加广泛，进而达到流量检测的测定数据需求。

用ADCP进行流量测验，采集的数据直接显示，相当直观，而且测流历时短，数据稳定可靠，精度高。操作熟练后，大大缩短了测流时间，减轻了劳动强度，增加了安全性。尤其在宽断面、大流量的测流中更能体现其快速灵活和实效的特点。ADCP测流技术因其测量方法的优越性，明显高于传统测量方法，是一项革命性的先进技术。ADCP测流可为我国的引水、调水和分水事业发展提供良好的科技保障，将会得到更为广泛的应用。

（作者单位：山东省胶东调水局潍坊分局）