多普勒剖面流速仪在水文流量测验中的应用分析

魏小伟，刘金山，韩立光，曹爱华

（日照市水文局，山东 日照276826）

多普勒剖面流速仪在水文流量测验中的应用分析

魏小伟，刘金山，韩立光，曹爱华

（日照市水文局，山东 日照276826）

对多普勒剖面流速仪测流的工作原理展开了详细分析，总结了当前多普勒剖面流速仪在使用过程中遇到的一些技术问题，并对多普勒剖面流速仪在水文流量测验中的应用方法与流程展开了简要分析。

ADCP;多普勒频移;流速

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.023

1 多普勒剖面流速仪测流原理

多普勒剖面流速仪的英文缩写为ADCP，它是近来年国际上流行的一种新的流量测量仪器设备，应用于水文流量测验中具有快速性、精准性及经济性等诸多优点。多普勒剖面流速仪的测量原理源于多普勒效应（多普勒频移），即由多普勒剖面流速仪作为声源（超声波）发出的声波为水中的漂浮物（声波接收体）所反射，声源与声波接收体处于相对移动的状态之中，因为水中漂浮物接收到的声波频率与流速仪发出的声波频率之间就产生了一个差值，通过测量产生的这个频率差值式（1）,便可计算出水流的流速。式中，FD为声学多普勒频移；Fs为发射声波频率；v为漂浮物沿声速方向的移动速度；c为声波在水中的传播速度；2为系数，多普勒剖面流速仪既要发射声波，又要接收回波，其频移是加倍的。

ADCP自身定义有直角坐标系为X-Y-Z，Z方向即为轴线方向。ADCP通常配有4个换能器（见图1），分布于流速仪的轴线的两侧并与ADCP轴线形成一定的夹角，每个换能器将声波有指向性（即发射的声波集中于较窄的范围）的发射出去后又接收水体中漂浮物散射回来的声波，这样4个换能器就形成了4个声束，其轴线视为声束坐标，测得的流速即是水流沿其声束坐标方向的速度，任意3个声束坐标组成一组空间声束坐标，利用声速坐标与ADCP自身的X-Y-Z坐标之间的转换关系，换算出换能器在X-Y-Z坐标系下的流速分量，进而通过罗盘、倾斜仪所测量的方向、倾斜数据将流速转换为地球坐标系下的流速。

图1 四声束A D CP换能器分布及其编号示意图

2 多普勒剖面流速仪存在的技术问题

多普勒剖面流速仪在水文流量测验的应用有效提高了流量测验工作的效率，但是由于超声波在水中的传播速度会受水温、盐度、悬浮物含量等因素的影响，水温和盐度的变化可引起相同流速下的不同多普勒频移，超声波的传播距离受水中悬颗粒的含量限制，这些影响因素都在一定程度上影响着测量的精度。以走航式ADCP为例，分析其在水文流量测验中存在的一些关键技术问题。

1)当河流存在“底沙运动”时，河底推移质的运动会影响测量船体的航行速度，主要是因为河底的泥沙在高速运移的测船经过时会随水流迁移。ADCP的“底跟踪”方式所测量的测船行进速度是大于实际航速的，即测得的水层流速是小于实际流速的，航速的测量失真导致流量测验成果不准确。

2）多普勒剖面流速仪内部配置的磁罗经和陀螺罗经可能受到铁磁质测船所形成的外界磁场干扰，致使测量的罗经方向与水流的实际方向产生了夹角，即方向的偏移使得水流流向的测验结果失真。

3）虽然水体中的含沙量仅仅吸收声能，不会改变声波的传播速度与多普勒频移，但当水体中的含沙量较高时，水体对声波的反射和吸收都增强，即多普勒剖面流速仪回收的声波强度衰减速度较快，进而影响水深的测量的准确性。

4）因为设备安装要求仪器探头在整个测验过程中始终不会露出水面，以及设备自身设计、施测流量时左右岸边离岸距离和水深的要求，会产生流量测验盲区，造成流量测验误差。

3 多普勒剖面流速仪在水文流量测验中的应用

3.1 测验方法

多普勒剖面流速仪在水文流量测验中属于超声波法测流速，利用超声波在水中的传播特性，可以分为频差法和时差法两种测速方法。频差法（图2）利用超声波顺流向与逆流向传播时间不同来测速，ADCP测验即是利用了频差法进行水文流量的测验。

图2 频差法测速示意图

3.2 测验流程

利用蓄电池为ADCP提供能源支持，连接至计算机系统，实现数据的采样与回收。ADCP可以安装在固定平台（河底）上进行定点垂线或水平流速的分层测量，安装在移动平台（测船）上，进行走航式流速剖面测量。根据《声学多普勒流量测验规范》（SL337—2006）要求，测验工作主要包括测验准备阶段工作、实施测验工作及水文流量测验成果检验等主要工作内容。

首先是测验准备阶段的罗盘校正工作。按照国家对于多普勒测流的规范，水文流量测验前必须做好罗盘校正，使得多普勒剖面流速仪内部配置的罗盘得到补偿后指向磁场的正北方向，特别是在利用KTKGPS计算流量时，ADCP内置罗盘必须以大地的正北方向作参考。运用RiverSurveyorLive软件与测验地的磁偏角数据，对内置罗盘的磁极北进行转换，使得罗盘指向为大地北，减少因罗经方向与水流的实际方向产生了夹角而造成的流量计算偏差。

然后是水文流量的测验工作。根据测验地的现场情况，选择配置距离合理的无线传播数据方式用以接收测验成果数据。无线电台接收终端安置在河岸上，通过与计算机系统的连接，实现数据的传输，测量工作可由计算机进行远程自动化控制，控制测量的开始与结束。测验工作开始前根据断面情况设置的深度单元尺寸应不小于设备允许的下限，深度单元数不超过设备允许的上限，同时深度单元尺寸与深度单元数的乘积不应小于所测断面的最大水深，并实际测量换能器入水深度。测量时，测船应从断面下游驶入断面，在接近起点位置时，航行速度沿断面保持接近或略小于水流速度，直至终点。

ADCP测量过程中的成果数据存储于内置存储器中，并进行实时流量计算。对于水文流量的测验需要经过多个回次的测验，将多个测次的流量值进行平差计算，得出本次流量测验的最终流量数据，统计于流量测量成果汇总表中，汇总表需要包含开始时间、持续时间、水温、航迹、河宽、船速、左右岸流量、测量流量、底层流量及总流量等。

最后对水文流量测验成果进行检验。传统流速仪将河道断面分段划分，计算各部分的断面面积，将断面面积与流速仪测得的流速相乘计算出部分流量，将各部分流量相加所得值就是全断面的流量。可以用常规流速仪与ADCP实行同步实测，分析计算测量的相对误差、标准差，对ADCP测量数据成果进行修正，以满足《水文资料整编规范》（SL247—2012）和《河道流量测验规范》（GB50179—2015）的精度要求。

3.3 流量测验误差控制

1）测量时，测船横渡速度宜接近或略小于水流速度，并尽量保持匀速前进。2）仪器入水深度、水位、水深、水边距离测量尽量精确，避免人为造成的误差。3）在测验前应根据断面情况、可能最大流速、测船动力情况和测验要求设置声学多普勒流速仪参数。4）水位涨落率大时，应根据水位涨落变幅情况尽量减少测流历时所引起的流量误差。

4 结语

综上所述，多普勒剖面流速仪测验效率较高，还可以通过计算机的远程显示与监测实现对流量的在线实时监测，但是在测验过程中为了减少测量误差提高数据的精准性，需要注意ADCP测量的使用条件与使用范围，降低水流中漂浮物、含沙量、水温、盐度等因素对于测量准确性的影响。科学运用ADCP技术获得河流、水库、湖泊等水体的水文特征值，不仅能有效服务于防汛抗旱工作，还能在水资源的合理开发利用和水环境的保护等方面发挥重要作用。

Application Analysis of Acoustic Doppler Current Profilers in the Test of Hydrologic Flow

WEI Xiao-wei,LIU Jin-shan,HAN Li-guang,CAO Ai-hua
(HydrologyBureau of Rizhao,Rizhao 276826,China)

This paper on Acoustic Doppler Current Profilers's measurement principle of flow has launched the detailed analysis,summarized the currentAcousticDopplerCurrent Profilers in some technical problems encountered in the process of use, and the flow of thedopplerprofileinhydrologicalflowtestinabriefanalysisoftheapplicationofthemethodandprocess.

ADCP;dopplerfrequencyshift;thevelocity

P332.4

B

1007-9467（2016）09-0091-02

2016-06-14

魏小伟（1980～），男，山东日照人，工程师，从事水文水资源勘测与研究，（电子信箱）993156161@qq.com。