水文监测中ADCP技术的运用及优越性浅析

肖丽媛

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 17200)



水文监测中ADCP技术的运用及优越性浅析

肖丽媛

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 17200)

ADCP是声学多普勒流速剖面仪的简称，从多角度多方面分析影响ADCP测验情况的因素，指出其测流优越性以及需要注意的事项。近年来，在水文系统中，ADCP得到了广泛地应用，而且流量测验工作的形式有随之发生了极大的变化。仪器本身是移动形式的，在载运和携带方面十分便利，具有明显的机动性特征，并且有效地增强了测流的效率，在水资源的论证以及用水总量监测方面提供了一定的保证。

水文监测；ADCP技术；运用；优越性；解读

1 ADCP技术工作原理的阐述

现阶段，在河流流速及流量实时测量工作中，ADCP是最为先进的设备。对于ADCP的流量测量原理来讲，和之前转子式流速仪的方法是相同的，都是把测流断面划分成诸多子断面，并且在各子断面中，对垂线一点或者是若干点的流速进行测量，包括水深的测量，最终获取这一断面中的平均流速以及流量[1]。而后，需要把各个子断面流量进行叠加而获取整个断面流量。然而，两者之间的区别就在于：第一，转子式流速仪的方法属于静态方法，但是，流速仪是固定的。而ADCP则属于动态方法，能够根据所测船的运动过程实现测量目标。第二，转子式流速仪的方法消耗的时间比较多，而且，在划分子断方面也并不细致，而垂线流速测量点的数量也并不多。但是，ADCP不同，因为其采样的效率比较高，所以，能够详细地划分子断面，且垂线流速的测量点数也相对多一些，与多台流速仪的同时测量效果是一致的。第三，转子式流速仪的方法必须要保证测流断面与河岸是垂直的，但是，ADCP的方法并没有这一需求，而且，测船航迹不仅可以是斜线，还可以是曲线[2]。

2 ADCP和流速仪实测流量的对比研究

文章将本溪水文站的水文监测为重点研究对象，使用了六次ADCP实测测量，并运用流速仪一点法与之进行对比。根据ADCP多次往返的测量成果分析，其偏差都不超过5%，所以，这种流量测验的性能十分稳定，且精度很高。但是，流速仪一点法的实测结果也不如人意，只有一次的偏差不超过5%，其中，有两次偏差超过了10%[3]。为此，在分析与试验当中，对ADCP实测的偏差影响因素进行了总结：

2.1 引船速度

根据ADCP技术的使用要求，应保证牵引船速度不超过河流的平均流速，只有这样才能够符合测验的要求。使用牵引速度不同的船进行测量，实际的结果表明，测验结果受到牵引船速度的影响，但是，影响程度并不明显，不会导致系统误差。

2.2 下游橡胶坝

在本溪水文站断面的下游处，距离1.50 km的位置建造了橡胶坝。如果不是洪水期，该坝是不会放坝的，所以，阻碍了上游断面的水流。本溪断面涞水主要是上游水路超出汛中的限制水位，所以需要开闸放水，实际的流量并不大，所以，橡胶坝未采取放坝的措施，导致流速仪方法的实测结果出现了极大的偏差。

2.3 流速仪测速垂线布点

流速仪方法测流主要采用的是一点法来测速，因为下游的下游坝具有阻水的作用，一点法的流速比较大，所以，很难真实地表现垂线的平均流速。通常，如果条件允许，应当使用精测方法，进而确保比测结果更加合理。

3 水文监测中ADCP技术运用的优越性分析

3.1 优越性研究

(1)ADCP能够有效地克服水草的影响。在运用ADCP方法来测量的时候，船的实际航迹不仅可以是曲线，还可以是斜线。如果在测流断面出现水草，那么测船能够绕过，并继续开展测流工作。但是，流速仪却无法实现，必须要除去存在的水草，或者是在水草流过测流断面以后才能开始测流的工作。

(2)ADCP的测验速度较快，且实际效率理想。运用传统的测验方法，在测验过程中，通常需要有3～4个人参与，在车辆的驾驶以及仪器操作，甚至是数据记录方面的分工需要明确，所以，要想兼顾具有极大的困难[4]。另外，仪器下方存在铅鱼配重，所以，实际的劳动强度也比较大，尤其在洪水涨落幅度相对较大，或者是需要人工手提仪器进行悬索测流的情况下，需要保证操作工作人员自身的体力充足。但是，运用ADCP进行测验，只需要通过电脑进行操控，而在测量的现场并不需要有人工进行记录或者是计算。其中，测船一测回就能够对断面流量、最大流速、面积以及平均流速进行准确地测量，所以，有效地减少了测验工作人员自身的劳动强度，而且在人力和物力方面也十分节省。

(3)同传统的流速仪测流进行对比，ADCP的仪器分辨率以及测速的精准度都有所提高，而且，最大的优点就是能够进行不间断与高频次的测量，且断面流量的过程十分直观[5]。运用ADCP技术进行水文监测的时候，深度单元最小尺寸采用的是0.05 m，也就是在水深是1米的时候，能够把垂线划分成20份，与传统流速仪方法中的“二十点法”相似，使得仪器的分辨率得到了有效地提升。

(4)在传统测验过程中，需要在被测河段设立水尺，并对其进行测量，另外还包括大断面测量，对河道断面基本的情况予以全面地掌握。但是，ADCP技术不同，不需要事先进行测量与布设，而在测流的时候，不同断面的信息与水文要素都能够计算并显示出来。由此可见，ADCP技术具有明显的机动性与便利性特点。而这种技术在不具备断面资料或者是不具备水文资料的河段比较适用，同时，也同样适用在突发洪水或者是决口河段测验工作当中。

(5)ADCP的流量测量精准度很高。在运用ADCP技术的情况下，只要根据步骤进行操作，就能够保证半测回流量数值同平均数值的偏差不超过5%。这一点在本溪水文站的测量对比试验中有明显的体现。

(6)ADCP技术测验所形成的声学多普勒流速仪流量记载表可以在整编水文资料的过程中予以直接应用，而且实际操作十分便捷，测验的效率也很高，在巡测当中十分适用[6]。

(7)ADCP属于声学测验的设备，而对较大含沙量的水流当中，所发射或者是接受的信号都会受泥沙颗粒的影响而出现散射，为此，最终的测量结果也同样会受到河流含沙量的影响。由此可见，ADCP技术只能应用在河流含沙量较小的情况，一旦含沙量较大，其自身的作用与价值是无法发挥出来的。

3.2 ADCP技术应用的注意事项

(1)在流速流量测量过程中采用ADCP技术，要想获取理想的测量结果，应当根据不同的测验河段以及断面情况，在开展测流工作之前，应对ADCP系统进行检测与配置，并且保证仪器参数的设计合理，进而保证测验的数据更加全面，且具有较高的测验精准度。

(2)因为ADCP属于声学测验设备，所以，如果泥沙颗粒量比较大，就会对仪器声波发射与接收带来不利的影响。由此可见，测量的成果会受到河流含沙量的较大影响。为此，相关专家提出建议，ADCP仪器最好被应用在含沙量不超过10 kg/m3的河流中[7]。

(3)ADCP的水下换能器属于全封闭式，所以，如果存在故障很难及时解决，而且在检查与更换方面难度较大。另外，该仪器的主板价格很高，并不具备备用主板。同时，ADCP仪器在维修方面并不方便，一旦出现故障，必然会对流量的测验带来不利的影响，一定要根据操作程序的要求来使用并进行管理，保证仪器的使用更加正常。

(4)ADCP在信号发射电台电源续航能力方面十分薄弱，而且，在对便携式电脑电池续航能力的测验数据计算方面也存在不足[8]。另外，在高频次流量测验与多断面巡测方面也存在一定的问题。

4 基于ADCP技术的水文流量测验分析

4.1 流速比测

目前比较常见的水文监测是定点式ACDP流速测量，它是对一定测距范围内的水文流量流速测算方法，例如河道断面流速、平均流速比测等等都可以建立此推算体系，保证水文监测质量。

在水文监测前，要在水下安装水下换能器，水下换能器的安装高度要通过前期勘测来决定，通常情况下要根据测流断面水位年际变幅来确定。如果水位变幅较小，可以考虑建立流速单一相关，如果水位变幅较大，则要考虑流速相关点所产生影响，同时考虑仪器入水后的深度因子，一旦水位变幅发生急剧变化，则要上下移动仪器来建立符合当时状况的合理位置相关线。从技术角度来看，定点式ADCP采用的是高分辨率测量，它能测量水平方向水流的瞬时层面二维流速。其中ADCP数据采集完全可以设置为不同间隔时间来进行数据采集。同时在测速比测时，应该按照潮汐周期的大、中、小潮汐分布来进行比测，尽可能在一个潮期过程内进行测验，特别是注意水文监测时必须要有比测点。在测量前期不要安装ADCDP水位探头，多利用水文遥测水位，再配合计算机软件来调用计算数据，满足整编需要。另外，水位数据采集与ADCP数据采集要同步频次，以保证测量数据准确。

4.2 测验稳定性检验

水文测验稳定性检验要利用到声学多普勒流仪来进行流量测验，保持每年实施一次流速比测。它的目的有两点，第一是为了检验流速相关线是否稳定，第二是为了检验ADCP仪器性能是否稳定。然后根据相关公式来推算ADCP的超流量，并对潮流历时、逐潮潮量进行分析验算，按照《水文资料整编规范》精度要求来实现多普勒水文比测资料精度评定过程，见表1。

表1 水文监测多普勒比测资料精度评定数据表

如表1，利用ADCP技术在感潮河段进行水文监测其稳定性较好，而且整个测量过程也没有发现任何资料缺陷及漏测现象。ADCP在设置时采用了一次流速设定，并根据现实测量状况而定。基本设置平均测量时间为5 min一次，≤1 h完成一次数据采集。再加之ADCP的测深功能，增加了水位指标，因此可以通过比测来直接获取断面平均流量，整体来看测量效果良好。

5 结语

综上所述，ADCP是目前世界范围内最为先进的流量测验设备，在水文监测工作中得到了广泛地应用，使得水文现代化的水平有所提升，并且增强了测验的精准度以及测洪的能力，使得采集水文信息的时间有所减少，同样在防汛抗洪及开发利用水资源方面提供了更为准确且完整的水文信息。为此，文章对ADCP技术展开了全面地阐述，并且同传统的测速仪进行实测对比，对使用ADCP技术的优越性进行了分析，阐述了所需注意的事项，希望能够为ADCP技术未来的推广使用提供有力保障。

[1]陈卫,周波.H-ADCP流量在线监测系统软件设计与实现[J].人民长江.2015,46(21):39-42.

[2]叶玉新,贺德海,吕富颖，等.ADCP在梅港水文站流量比测分析[C].2014:75-80.

[3]彭晓军,孙全章.ADCP在水文测验中的应用分析与发展前景[J].科技创新与应用.2015(26):241-241.

[4]吴晓楷,张淼.走航式ADCP在引黄济津潘庄线路应急输水测验中的运用[J].海河水利.2013(3):52-53,57.

[5]刘健.ADCP技术在河道流量测验中的应用[J].科学时代.2013(11).

[6]刘佳佳.走航式ADCP技术在水文测验中的应用[J].北京农业.2015(3):175-175.

[7]吴燕.探讨ADCP技术应用于河道流量测验中的效果[J].河南科技.2014(9):56.

[8]钟晓露.刍议ADCP技术在水文测验中的应用[J].大科技.2015(30):158-159.

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1004-1184(2016)06-0217-02

2016-10-18

肖丽媛(1981-)， 女，辽宁沈阳人， 工程师，主要从事水文测验工作。