走航式ADCP之监测质量控制分析

刘志文，戴 琳，吴婷婷

(1. 武汉市水文水资源勘测局，湖北 武汉 430079； 2. 孝感市水文水资源勘测局，湖北 孝感 432100)

ADCP即是“声学多普勒流速剖面仪”，该设备不仅可高效测量断面流速，而且监测时不扰动流场，监测成果准确可靠。随着科技的进步，ADCP的功能不断完善，适合于中型、水位变幅不大的河道流量测验。

1 测流原理与特点

1.1 ADCP基本原理

走航式ADCP是利用多普勒效应原理进行的流速测量。采用声波换能器作为传感器，换能器发射声脉冲波，其通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，使回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移，该设备正是利用多普勒频移来测量流速[1]。

式中：Fd为声学多普勒频率；Fs为发射声波的频率；V为颗粒物沿声波方向的移动速度；C为声波在水中的传播速度。

走航式ADCP的测量原理与传统的流速仪法基本相同[2]，经测定多普勒频移而测算出测线范围内若干点流速，采用相关方法计算测线平均流速，通过现场率定获得率定测线平均流速与断面平均流速的相关系数，再据现场断面测量获取的水位与断面面积关系计算断面面积和流量。

1.2 ADCP基本特点

走航式ADCP相较传统流量测验手段，其测验精度与流速仪精测法是相当的，表现出高效、精确、适用的优越特点，正是充分利用了现代信息化技术成果，有力推进了水文自动化监测技术的快速发展。

经分析，走航式ADCP具有以下几个特点：

1)可以实现巡测为主、驻测为辅的目标，满足水文测验方式改革的需要。

2)ADCP为动态测量方式，可在测船运动过程中实施精准测量，使用则更为灵活；而传统的测量方式多为静态方式，无论是桥测、水文缆道测流，其设备均要固定于所测垂线上，使用易受外部条件限制。

3)传统测量方法要求测流断面垂直于河岸，则ADCP施测不作此要求，且克服了障碍物因素影响，测船可绕过施测；同时，ADCP与换能器(测深)、传感器(温度、倾斜、GPS罗经)、电源、数据通讯等仪器都是集成化设计且采用封装，在一定程度上减少了故障的发生，设备稳定性比较好。

4)ADCP施测具有适用范围广、效率高、误差小等特点，不仅解决了传统测流需要手工记载、计算、录入等人为出错因素的影响，而且解决了测流要素同时采集、图表自动生成、水边作业更安全等问题。

2 测验主要误差控制分析

走航式ADCP的推广应用，可为防汛抗旱、水利工程科学调度、水生态环境治理等提供科学可靠的水文信息，但其仍存在着误差并分析如下。

2.1 系统误差质量控制

1)水流中的含沙量对ADCP使用影响较大。因ADCP是运用多普勒效应原理，若河流中的泥砂含量偏高，则不能使用高频率的ADCP测量，应使用低频率的ADCP；但使用低频率的ADCP测验时仍有限制，即测量的河深需≥0.3 m；若河流的含沙量偏高且深度过浅[3]，会导致仪器无法测量，这时可采用差分GPS、测深仪，分别测量船速、水深。

2)河底的推移质运动主要影响测量结果的精度。因形成推移质的河段，往往流速过大，河底的泥沙随水流迁移而形成的[4]；为减少河底推移质运动的影响，可使用GPS测量船速[4]。3)其他影响因素。对于岸边形状、岸边流量系数可经实地断面测量和岸边流速分布试验，参照规范规定获取可靠的参数[5]；对于测深测宽设备要进行校准；对于盲区流速要通过分析精准进行插补；当外接差分GPS时，必须进行正确的校准；计算要采用含30个以上脉冲的数据组的均值[6]。

2.2 随机误差质量控制

1)正确选择适当的工作模式。ADCP的工作模式有多种，不同的信号发射与处理形式，会导致其精度也不同。如宽带模式的流速测量具有范围宽、剖面深度较大、精度高的优点，但仅适用于大多数正常情况[7]。

2)内罗经校准。走航式ADCP是依据罗经提供的磁方位角与各个声束多普勒频移来计算实际航迹，但内罗经提供的实时磁方位角是存在着方向误差的，故必须校准。

3)采用较小的深度单元。单元尺寸越小，垂线上实测数据点越多,流速垂向分辨率就越高，越接近实际流速分布；同时，全断面的实测区范围也相对越大、盲区估算范围会更小；盲区流速插补须经精准分析，对测深、测宽的设置也需校准。

4)控制测船横渡速度。若河道较浅、较窄、流速较小，则测船横渡速度要合理控制(≤平均流速)，这样施测出来的数据才可靠。

5)测回数与测验历时。考虑测验方向不同会引起的偏差，若进行4个测回(往返两次)，单个测次历时不应小于180 s；若进行2个测回(往返各一次)，单个测次历时不应小于360 s[8]。

3 走航式ADCP测流过程质量控制分析

1)出库前检查。为确保走航式ADCP正常运行，必须进行预检。出库时对照设备清单，检查所需携带的各种器件是否有遗漏；接通电源，将ADCP与计算机连接，调试无线电台信号、软件系统操作是否能正常工作[8]。

2)现场仪器安装。走航式ADCP一般安装在非铁磁三体船的支架上，换能器没入水中10 cm左右，以保障其不会露出水面或发生空蚀；测流断面河底有砂粒运动时，应安装GPS测量船速[6]；测不到最大水深时，应安装测深仪测深。

3)仪器检查。ADCP安装好后，对电缆、电路、信号、罗经、软件进行检测，直至全部正常工作为止。

4)设置文件。应依据现场条件、ADCP性能进行参数设置，设置参数要与测流断面的实情相符，如深度单元尺寸、水跟踪与底跟踪脉冲采样数、盲区、工作模式、换能器入水深度等均要按有关技术标准或规定来设定，以使其所采集的数据质量最佳；在底跟踪可能失效时，应调整参数进行试测；配置文件应与原始数据文件储存在计算机的同一个文件目录内[6]。

5)流量测验。测流之前，在操作系统上应录入断面位置、测量日期等基础信息，输入测验的始终点离河岸距离、岸边流速系数等数据信息；若每半测回流量值与平均值的偏差大于5%，应具体分析并进行重测处理；断面流量包括直接测出的部分流量、岸边流量及两岸盲区流量。

6)入库维护。测验结束后，应按维护要求，用清水冲洗仪器的换能器[6]；供电系统按规定作好保养，野外作业应避免传感器长时间暴晒；探头表面有附着物时应及时小心维护，若出现明显的裂痕或较深的划痕时，应检验是否影响测验精度；防腐蚀部件腐蚀严重时，应更换新的部件；电缆(信号)线破损、漏电时，应立即维修或更换[6]。

7)做好台帐。每次使用和维护ADCP，应按使用单位有关固定资产管理办法的要求做好台帐，便于设备的应用高效和保持仪器测量精准。