无线ADCP在河道输水损失研究中的应用
2017-09-19吴晓东陈建平程祥吉
崔 伟，吴晓东，陈建平，程祥吉
（1.松辽委水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江齐齐哈尔161000；2.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）
无线ADCP在河道输水损失研究中的应用
崔 伟1，吴晓东1，陈建平1，程祥吉2
（1.松辽委水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江齐齐哈尔161000；2.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）
ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。无线ADCP是把仪器探头装在配套的遥控测量船上，数据通过电台或蓝牙进行传输。测量船从河流断面左岸航行至右岸时，ADCP不仅可实时测出河道流速、流量等信息。文中论述的方法相对于传统河道断面测量的方法，最大的优点是操作人员仅需在岸上进行操作，极大降低了水上作业危险性。
ADCP；断面测量；河流断面；流量测验；多普勒原理
ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器，自带的测速、测深、定位功能可直接测出断面的流速剖面，且具有不扰动流场、测验历史短，测速范围大等特点，被广泛用于海洋、河口的流速和流量测验等工作中。走航式ADCP是把仪器探头及数据传输电台都装配到遥控测船上，测得数据通过电台或蓝牙与岸边工作人员手持笔记本电脑进行数据传输。遥控测船从河流断面左（右）岸航行至对岸时，ADCP不仅可实现测出河道流速、流量等信息，也可测出ADCP经过轨迹处的水深。ADCP测出的数据经过更正，可形成河道断面数据。文中无线ADCP在察尔森水库下游两省（区）河道输水损失研究中的应用，最大的优点是操作人员仅需在岸边进行操作，极大地降低水上作业的危险性，同时满足本次测流任务中具体测流要求。
1 ADCP测流基本原理
ADCP（Acoustic Doppler Current Profilers），即声学多普勒流速剖面仪，其原理是依据声学多普勒效应。ADCP一般配有4个换能器，与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器有事接收器，假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，聆听到的回波频率比发射波的频率高；档颗粒物的运动方向背离换能器时，聆听到的回波频率比发射波的频率低，这种现象即声学多普勒频移。
ADCP通过水跟踪（由水中颗粒的回波测量水流相对于ADCP的运动）测得水流相对于遥控测船的速度。遥控测船的速度通过底跟踪（由河底的回波测量相对于ADCP的运行）测得，或由GPS算出。
2 研究项目流量测验区域特点
察尔森水库下游2省（区）河道输水损失研究项目是以察尔森水库坝址至吉林省大安市的庆友拦河闸上游，共计214 km河道范围作为勘察范围。要求从2016年4月12日—5月31日，在察尔森水库至庆友拦河闸上有区间河道，共设9个地表水监测断面，实测6个监测断面开展逐日流量测验工作。通过实地踏勘发现，根据实际情况，符合测量规范要求的6个监测断面，河道较窄，水深差距较大；流量较小时，部分断面会出现浅滩。同时，监测范围大，监测断面之间多以乡村路线为主，路况极差。结合以上原因，无法动用常规动力船只，且监测点附近并无桥梁，无法实现桥测，使用常规流速仪无法实现逐日流量测验要求。
3 无线ADCP的应用
测量采用的ADCP采用美国RDI公司生产的瑞江600 RHz宽带ADCP。图1，图2为ADCP在察尔森水库下游两省（区）河道输水损失项目中“满洲代二”监测断面进行河道流量测量的实例，分别为流速等值图与航迹和流速矢量图。
图2 航迹和流速矢量图（相对于底跟踪）
将ADCP通过蓝牙直接与计算机连接，使用WinRiver软件即能在遥控测船沿测流断面方向航行时直接测出断面流量。其断面线导航定位采用GPS TIK技术进行。测流时，因为ADCP是动态的，可在随测船运动的过程中进行测量，遥控测船的航迹可以是斜线或曲线，极大地方便施测作业。
3.1 准备工作
入水前启动遥控测船，通过遥控器测试螺旋桨是否正常前后转动；安装ADCP及电台电池，注意做好电池仓密封防水处理；打开笔记本电脑上的WinRiver软件，配置ADCP与计算机的通讯连接后可以开始测流。
3.2 测量过程
在开始测量之前，点配置菜单，选相对于（即速度参考）为底跟踪。
3.2.1 建立断面测量始终点
1）测量中使用激光测距仪先测出岸边距，测船离岸向外移动ADCP到深度单元=2的显示流量的位置，在这个位置用测距仪测出开始岸边距。
2）操纵遥控测船使船头尽量保持逆流、匀速、缓慢的驶离岸边。
3）等接近对岸时，在有2个有效单元显示流量的位置，用测距仪测出测船距离，由断面岸边距与开始岸边距得出结束岸边距。
4）保持位置采集10个数据（缺省设置）。静止期间采集的数据将保存到原始数据文件中，为了准确的计算岸边流量。结束该测次的测量。
3.2.2 多个测回采集流量数据
通过重复流量测量步骤获得多次流量测量数据，流量测次数为偶数，而且多次平均的不确定度小于单次的，结合每日水位变化提高测量精度。
3.3 注意问题
1）船速越慢精度越高，一般船速不超过最大流速。
2）在开始及结束测量的岸边，船应稍停留片刻，以便获得用于计算岸边流量的10个平均数据。
3）应当用多次断面测量的平均值（至少4次，即来回2次）作为最后的河流流量测量结果。
4）注意做好遥控测船电池盒及电台防水密闭措施。
4 结语
在当今的水文测验研究中，ADCP水文测验一直是受我国研究人眼重视的一项工程。但是在实际水文测验中，还存在一些问题，会在今后的实践中逐步探索、寻求有效的解决途径。通过计算机、通信等其他领域先进技术科学整合，使ADCP与传统的水文测验相结合，让ADCP在水文测验中实现更广泛地推广与应用。
TV12；TV697.1+9 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B
B
1002—0624（2017）09—0069—02
2017-03-07
