ADCP在梧州水文测验中的拓展应用

2017-04-28杨惠丽陈俏艳

东北水利水电 2017年4期

关键词：含沙量垂线梧州

杨惠丽，陈俏艳

（梧州市水文水资源局,广西梧州543001）

ADCP在梧州水文测验中的拓展应用

杨惠丽，陈俏艳

（梧州市水文水资源局,广西梧州543001）

ADCP在水文领域中是作为专门的河流流量测验仪器引进的，由于ADCP在测验过程中能够提供流速、流向、水深和回波强度等丰富的测验信息，其应用范围已不仅仅局限于流量测验方面。本文通过简要介绍声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的工作原理及其特点，以ADCP在梧州水文测验中的实际应用为例，对其在水文测验中的应用，特别是在拓宽应用范围方面进行了比较详细的介绍。

ADCP；水文测验；拓宽应用；梧州水文站

ADCP在水文领域中主要是作为河流流量测验仪器引进的，随着ADCP技术的发展以及对其应用的深入研究，由于ADCP在测验过程中能够提供流速、流向、水深和回波强度等丰富的测验信息，其应用已不仅仅局限于流量测验，还越来越多地应用于含沙量、流态以及水下地形（包括大断面）等方面的测量。下文以SonTek RiverSurveyor M9型走航式ADCP在梧州水文站中的实际应用为例，逐一介绍ADCP在水文测验中的应用及其特点。

1 ADCP简介及工作原理[1]

ADCP中文通常译为声学多普勒流速剖面仪，它以很高的分辨率测量垂直方向或水平方向水流的瞬时流速，同时测量河流深度或河流宽度，从而直接计算出河道的断面流量。

ADCP是利用声学多普勒原理研制的，是目前世界上最为先进的河流流速及流量实时测量设备。一般配有3个或4个换能器，每个换能器既是发射器又是接收器，与ADCP轴线成一定夹角。换能器向水体发射某一固定频率的声波，声波碰到水体中悬浮的且随水体运动的颗粒物后产生反射波，ADCP记录发射波与反射波之间的改变，这个频率改变即称声学多普勒频移。ADCP向水体发射声波脉冲，利用背向散射声波脉冲的多普勒频移可以连续地测量各层水体的三维流速。

根据不同的测量方式，ADCP可以分为走航式和固定式2种类型：

走航式ADCP应用最广，是将ADCP放置于测船底部，实时连续测量沿测船航迹方向整个流速剖面和水深的数据。用户可以设定不同的深度单元，ADCP测出每个深度单元流速矢量的三维数据，各个深度单元流速矢量数据组合成流速剖面。

固定式ADCP有2种布设方式：一种是垂直测量方式，是将换能器垂直向下装在水面下（或垂直向上装在河底）某一固定位置，向下（或向上）发射超声波；另一种是水平测量方式，是将换能器装在水面下某一固定位置，面向河道对岸水平地发射超声波，测得某一段单元长度内层平均流速，与断面平均流速建立相关关系，由此推算出断面流量。通常使用固定式水平ADCP进行在线流量监测。

2 ADCP的应用

2.1 流量测验

理论上，ADCP河道流量测验与传统流速仪法的原理都是将测流断面分成若干个子断面，测量每个子断面内垂线上一点或多点的流速及水深，从而计算子断面的平均流速和流量，再将各个子断面的流量叠加得到整个断面的流量。

和传统流速仪法一样，利用ADCP进行流量测验也是遵从“流速～面积法”的，即ADCP采用下式计算流量[2]：

沿航迹的断面划分成许多微断面，则式（1）可变为：

式中：m——微断面总数；Vx——微断面深度在x方向的流速分量；Vbx——测船在x方向的速度分量；Vy——微断面深度在y方向的流速分量；Vby——测船在y方向的速度分量；Hi——微断面处水深；△t——呼集合（对应于微断面测验采样）时间平均步行；其中(x，y)为水平面上的总体坐标系。

利用ADCP进行流量测验时，应将ADCP与计算机连接，选择合适的ADCP测流模式，设定适当的参数。测量过程中断面的水深和垂线位置等数据，通过无线传输到计算机，在系统软件控制下连续实时记录、存储及计算，测量结束后即可得到断面流量。

对于流量稳定的河流，至少要进行4次断面流量测验，来回各2次（2个测回），并且控制4次流量值的测验误差在±5%以内。若所测断面流量超出误差范围，则应再进行至少1个测回的流量测验，最后以合格的4次断面流量的平均值作为实测流量值。

对于流量在短时间内变化较大的河流，如果只能采用一次测验的流量值，应做出说明和记录。在可能的情况下，应至少测1个测回断面流量，以减小方向可能引起的偏差。测验过程中应尽量保持测船平均速度小于或等于水流平均速度。

2.2 含沙量测量

当今ADCP已经广泛应用于水文领域的流量测验，同时利用ADCP的声反向散射强度（ABS）来推算悬移质含沙量（SSC）的研究也逐渐引起人们关注。从ADCP工作原理可知其输出的数据中含有ABS信息，因而ADCP具备了推算断面平均含沙量的能力。国内外众多学者[3-6]对此进行了研究，并取得良好效果。

在测量过程中，ADCP通过定时向水体发射固定频率的声脉冲，水中悬移质的反射信号被换能器所检测到。根据多普勒效应原理，可以同时测定水柱各层单元的三维流速，而回波则是声波在水体传播过程中衰减及水体反射粒子质量的综合表现。经试验可知，回波强度与悬移质含沙量和水深成一定关系[7]：水深越大，回波强度越小；在水深相同的情况下，回波强度因悬移质的散射不同而不同，同一深度的回波强度与悬移质含沙量成正比。在实际应用中，可以通过建立含沙量与回波强度的关系，间接地推算出水体的含沙量。

在系统频率、声波脉冲模式相同的情况下，同一水深的回波强度信号，只与泥沙颗粒的浓度、种类和粒径有关，对于种类和粒径均一的泥沙来说，它直接与悬移质含沙量相关，声纳方程[8]简化的指数形式为：

式中：C——悬移质含沙量；E——回波强度；K1——拟合因子；K2——拟合因子。

K1，K2是通过悬移质含沙量与回波强度的相关分析来率定的。经初步试验，梧州水文站悬移质泥沙测验断面的垂线含沙量与左河道水深10 m处的回波强度关系较好。以左河道10 m水深的回波强度E，与其对应的实测垂线含沙量C的对数值Lg(C)建立相关关系图（见图1），然后用其相关关系反推得到ADCP估算的垂线含沙量C′，再由ADCP估算的垂线含沙量C′与实测垂线含沙量C建立相关图（见图2），Lg(C)与回波强度E的相关系数R=0.996 4，估算的垂线含沙量C′与实测垂线含沙量C的相关系数R=0.997 0，相关性都很显著，说明利用ADCP回波强度估算悬移质含沙量是可行的。

2.3 水下地形测量

ADCP是根据回波强度沿深度曲线在河底处突起的峰值来识别河底的[1]。根据ADCP工作原理，ADCP发射和背向散射返回的声波脉冲信号是连续的，但不同深度水体返回的声波脉冲信号时间却不同。而声波脉冲在一定水域和深度范围的水体传播速度不变，再利用声波脉冲发射到河底及反射回换能器的时间差，就可以确定水深，进而求出河底高程。

进行水下地形测量时，ADCP利用底跟踪或外置GPS测定测船航行轨迹，亦即是测船的平面坐标(x，y)，在每1 sADCP发射一个脉冲信号的同时测得水深，即可采集到1组(x，y，h)三维坐标数据。

利用走航式ADCP进行水下地形测量时可采用转圈法或断面法。转圈法是在测区范围内，根据各种比例尺地形图的测量要求，以测区中心为圆心均匀布设圆圈式的测量线路，测量船沿着测量线路依次施测每一个圆圈的方法；断面法则是根据测量要求，在测区范围内均匀布设断面，然后利用ADCP依次施测每一个断面的方法。断面桩用四等水准引测高程。

以梧州水文站某次采用转圈法施测水下地形测量为例：首先在测区范围内，根据测量要求，以测区中心为圆心均匀布设每一个圆圈，圆圈间的间距一般为地形图上2 cm，水下地形点则按圆圈布设，测点间距一般为地形图上1 cm；然后利用ADCP依次施测每一个圆圈。

图1 左河道垂线10 m水深的Lg（C）~回波强度E关系图

图2 ADCP估算含沙量C′与实测垂线含沙量C关系图

进行水下地形测量前，首先用GPS精确定位水边点，记录换能器到水边点的距离；然后按照布设好的圆圈式测量线路，利用ADCP配备GPS的测量船沿着测量线路依次施测每一个圆圈。整个测量过程的垂线位置和水深等数据，通过无线传输到计算机，在系统软件控制下连续实时记录、存储。测量结束后，利用后处理软件导出原始数据，再用自编的软件对数据进行处理。

将采集到的断面水深加上换能器淹没常数，得到实际水深，水面高程减去水深即得河底高程，梧州水文站水下地形测量输出的数据形式如表1所示。

表1 梧州水文站测验断面上下100 m河道输出的三维坐标数据

利用ADCP测深以及GPS跟踪定位的测量精度不会受船速影响，此外还能将测船的航迹保留下来，可以直观地看到已测区域和待测区域，因此不会遗漏待测区域。用ADCP配备GPS进行水下地形测量，和传统测量仪器相比，其精度和效率都有显著的提高。

2.4 流态测量

河道的流态测量是测定局部河段不同位置上沿水深方向的流速大小、方向以及底沙运动的分布规律，为河势分析、河道冲淤、河道演变分析提供原始资料。

常规的水文流量测验方法只能测出断面上每个施测点的流速大小，却无法测得断面流态和空间流场的分布。而ADCP测流技术则可测出深度单元流速矢量的三维（东/西、南/北、垂向）分量，各个深度单元的流速数据组合成流速剖面，因此ADCP能提供连续的剖面资料，准确地测出断面的三维流态数据及流场的空间分布。

ADCP进行流态测量时，主要是利用ADCP内置罗盘建立的磁北极坐标系与实际地形图的真北极坐标系进行转换，相互转换的前提是有2个共同点在两个标系中都是已知的。ADCP进行流态测量是满足这个条件的，这2个已知点就是测量的起点和终点。

流态测量的方法及过程：首先根据测量的目的和要求在测区范围内布设好若干个断面，然后利用ADCP依次施测每一个断面。每个断面的水深和垂线位置及流速等数据，通过无线传输到计算机，在系统软件控制下连续实时记录和存储。测量结束后，利用后处理软件导出测量起点和终点的坐标以及各流态测量点的水深、流速和流向等数据，再利用自编软件对数据进行处理，形成成图文件，最后将数据导到CAD绘图软件编辑得到河段流态图。

以梧州水文站在长洲水利枢纽航道进行流速流向测验为例，根据ADCP输出参数，提取垂线平均以及水面和水底的流速、流向数据（见表2），用CAD绘图软件对各断面的每条垂线水面流速绘制流速分布图（见图3）。