国产走航ADCP在线测流系统比测分析

杨卫东，潘仁红

（1.南宁水文中心，南宁 530001；2.广西壮族自治区水文中心，南宁 530023）

0 前言

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Cur⁃rent Profilers简称为ADCP），是20世纪80年代初发展起来的一种新型测流设备，利用多普勒效应原理进行流速测量。ADCP突破了传统机械转动为基础的传感流速仪，用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波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，经测定多普勒频移而测算出流速。ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。ADCP设备所进行的多普勒测流技术具有广阔的应用前景，ADCP测量的海流速度信息在油气开发、运输、生物环境观察等海洋应用领域中不可或缺，而且ADCP测得的河流湖泊流速信息在河流水文研究、河流航道安全、河道流量监测及洪水预警方面具有重要意义。

目前国内使用的ADCP基本依赖进口，核心技术长期由国外垄断，水文设备长期受国外制约，对经济安全、生态安全和国家安全都会产生一定影响。由于水文行业具有极强的公益性、基础性、战略性，关系到经济安全、生态安全和国家安全。河道流量测验ADCP产品国产化成功研制，具有完全自主研发、设计和生产ADCP的能力，有力地打破了ADCP依赖进口，核心技术长期由国外垄断的现状。同时，产品具有完全的自主知识产权，极大地促进了ADCP的国产化和商业化，能够有效地提升水文及声呐产业层次、延伸产业链，促进产品结构和技术结构的调整。

1 走航ADCP的原理及计算方法

1.1 工作原理

ADCP是一种利用声学多普勒效应测量水流剖面速度的仪器。ADCP的测量探头一般装备有3～5个换能器，换能器与测量探头轴线呈一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波能量集中于较窄的范围内，称为声束。换能器发射某一固定频率为fs的声波，然后接收被水体中颗粒物散射回来的声波，由多普勒频移计算出水流沿其声束坐标方向的速度。假定颗粒物的运动速度v与水流速度相同，c为声波在静止水体中的传播速度，则声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差fd由以下公式确定：

由式（1）可知，多普勒频移与水体流速成正比，因此只要测出多普勒频移，即可计算出水流速度。

1.2 流量计算方法

采用ADCP进行流量测验，计算流量公式为：

式中：Q为流量；s为测流断面面积；u为测流断面某微元处流速矢量；ξ为测船航迹上的单位法线矢量；ds测流断面上微元面积。

将式（2）变为：

式中：T为跨断面航行时间；k为垂向单位矢量。

将沿航迹的断面离散为m个微断面，则有：

式中：Hi为微断面i处水深；Δt为相应于微断面的测量时间平均步长；m为断面内总的微断面数目；V为相应于每一微断面的深度平均流速矢量。

深度平均流速的x方向分量由下式算出（y方向分量类似）：

式中：VxT为表层平均流速（x向分量）；VxM为中部平均流速（x向分量）；VxB为底层平均流速（x向分量）。

中部平均流速由ADCP直接测出，其值为所有有效单元所测流速之平均。x方向流速分量由下式算出（y方向分量类似）：

式中：uxj为单元j中所测的x向流速分量；n为有效单元的数目。

表层和底层平均流速和流量，借助于指数流速剖面来推算表层或底层平均流速及流量：

式中：u为高度Z处的流速；u*为河底剪切流速；Z0为河底粗糙高度；b为经验常数，取1/6。

岸边流量估算，岸边区域平均流速的计算公式为：

式中：Va为岸边区域平均流速；Vm为起点微断面（或终点微断面）内的深度平均流速；α为岸边流速系数。

ADCP测量流量时，将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上多点流速并测量水深，从而得到各个子断面内的平均流速和流量，再将各个子断面内的流量叠加即得全断面流量。

2 国内外ADCP的研发和产品情况

自20世纪80年代开始，国际上ADCP产品在不断发展，近年来国内在ADCP的研发和产品化方面取得了明显进展，推出了一系列国产ADCP产品，在算法、电路、软件等方面均有创新性突破，并通过了水利部新产品鉴定，符合《水利部新产品鉴定管理办法》对新产品的要求，入选水利部《水文测报新技术装备推广目录》《水利先进实用技术重点推广指导目录》。

3 国产ADCP在南宁水文站、隆安水文站比测应用

3.1 南宁水文站基本情况

南宁水文站始建于1907年，至今已有110多年历史，被喻为邕江防汛安全的守护者、邕江水情的“晴雨表”。该站位于南宁市西乡塘区，是国家重要水文站和珠江流域西江水系郁江上游控制站，集水面积为72 656 km2。主要测验项目有：水位、流量、泥沙、降雨、蒸发、水温、岸温、水质。有水文缆道1座，走航式和固定式ADCP各1套。

3.2 隆安水文站基本情况

隆安水文站的前身为设立于1957年7月的下颜水文站，2006年1月受水利工程影响，下颜水文站迁移到南宁市隆安县城，更名为隆安水文站。该站位于南宁市隆安县城厢镇新华街1号，是国家重要水文站和珠江流域西江水系右江上游控制站，集水面积为32 709 km2。主要测验项目有：水位、流量、泥沙、降雨、蒸发、墒情、水温、岸温、水质。有水文缆道1座，走航式和固定式ADCP各1套。

3.3国产ADCP情况

国产ADCP产品商用的公司，具有完全自主研发、设计和生产ADCP的能力，中海达生产的iFlow RP600和iFlowRP1200ADCP产品得到认可，iFlow系列ADCP产品还通过了水利部新产品鉴定，产品测量性能达到国际先进水平。

中海达iFlowRP600ADCP在宽带工作模式下，能够测量的流速剖面可达75 m；测流精度高达0.25%±0.2 cm/s；可选配DGPS作为内置传感器来获取坐标或替代底跟踪功能；支持RS232、RS485以及WIFI数据传输方式，有效距离2000 m。iFlow⁃RP1200ADCP产品在宽带工作模式下，能够测量的流速剖面可达25 m，测流精度0.25%±0.2 cm/s，可选配DGPS作为内置传感器来获取坐标或替代底跟踪功能；支持RS232、RS485以及WIFI数据传输方式，有效距离2000 m；此外，上述两个型号均配备了自主研发的全中文采集及后处理软件，方便用户定制。

国产的iFlow ADCP产品主要有4种不同的安装方式，分别是智能遥控船、无动力三体船、船体支架、竖直固定式支架的安装，分别对应4种不同的应用场景，使得ADCP产品可以适用于大多数河流流域实际测量的使用。

3.4 比测使用情况

为了实际验证中海达iFlow RP1200ADCP的测量性能，2019年9月3日～4日、2021年10月18日在南宁水文站，2021年10月19日在隆安水文站使用国产iFlowRP1200ADCP分别和国外进口的瑞智600 KADCP、瑞江600 KADCP、CM600水平ADCP、缆道流速仪进行流量比测试验。

3.4.1 ADCP比测试验环境

试验将ADCP采用三体船安装方式，使用无线电台实时传输测量数据，利用铅鱼吊缆牵引三体船通过测量断面进行流量测量。比测时，首先安装iF⁃lowRP1200ADCP至三体船，然后安装瑞智600 KADCP、瑞江600KADCP至三体船，接着将两三体船固定在一起，最后，将iFlow RP1200ADCP测量结果与瑞智600 KADCP、瑞江600KADCP测量结果进行对比。在实际测试过程中，iFlowRP1200ADCP表现出了良好的性能，对比于瑞智600KADCP、瑞江600KADCP差距不大，在硬件、软件等方面均有其特色，具有较大的创新点和优点，且取得了较为理想的测流量结果。

在ADCP设备的安装与调试方面，iFlow RP1 200 ADCP在较短的时间内完成了在三体船上的安装与调试，该设备的安装过程便捷、方便、可靠；在调试过程中，iFlowRP1200ADCP设备调试顺利，设备可靠性较高。

3.4.2 ADCP流量测试结果对比

在流量测量数据方面，iFlow RP1200ADCP表现出了较好的测量结果，其结果与瑞智600KADCP、瑞江600KADCP的流量测试结果相差很小，验证了iF⁃low RP1200ADCP设备测量的有效性，具体见流量测量部分数据对比分析。2019年9月3日～4日、2021年10月18日～19日，分别采用RP1200ADCP分别与瑞智600KADCP、瑞江600KADCP进行了7次测回，28个有效测次，以及1次流速仪流量测次，共29个有效测次。FlowRP1200ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器的29个测次两个系列的流量、断面面积、水面宽、平均流速等项目比测成果分别见表1和图1～图4。29个测次流量验测时，现场风小船少，外界环境影响因素较小。试验过程严格遵守《声学多普勒流速仪测流规范》（SL 377-2006）中流量验测的方法和要求。

图1 中海达与瑞智、瑞江ADCP流量关系线

图2 中海达与瑞智、瑞江ADCP断面面积关系线

图3 中海达与瑞智、瑞江ADCP水面宽关系线

图4 中海达与瑞智、瑞江ADCP平均流速关系线

表1 中海达RP1200与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪比测统计表

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29统计值2021-10-18 12：01：00 2021-10-18 12：07：00 2021-10-18 12：13：00 2021-10-18 11：45：00 2021-10-19 10：50：00 2021-10-19 10：56：00 2021-10-19 11：02：00 2021-10-19 11：08：00 2021-10-19 11：31：00 2021-10-19 11：38：00 2021-10-19 11：46：00 2021-10-19 11：05：00均值最大值最小值67.01 67.01 67.01 67.01 76.37 76.37 76.38 76.38 76.38 76.39 76.40 76.41 2090 2100 2120 2090 576 553 583 563 601 598 590 606 2120 2130 2130 1980 579 564 593 567 590 603 596 613-1.42-1.41-0.47 5.56-0.52-1.95-1.69-0.71 1.86-0.83-1.01-1.14-2.11-6.48 0.00 3510 3510 3510 3510 1270 1240 1280 1260 1260 1270 1270 1280 3510 3520 3510 3530 1260 1270 1270 1280 1280 1280 1290 1270 0.00-0.28 0.00-0.57 0.79-2.36 0.79-1.56-1.56-0.78-1.55 0.79-1.57-3.78 0.00 327 327 327 327 183 178 186 183 182 183 183 180 326 326 326 326 182 184 184 184 180 181 184 181 0.31 0.31 0.31 0.31 0.55-3.26 1.09-0.54 1.11 1.10-0.54-0.55-0.65-3.68-0.30 0.60 0.60 0.61 0.60 0.47 0.44 0.48 0.45 0.47 0.48 0.47 0.48 0.60 0.61 0.61 0.58 0.46 0.45 0.47 0.44 0.46 0.47 0.48 0.48-0.50-1.64 0.00 3.45 2.17-2.22 2.13 2.27 2.17 2.13-2.08 0.00 1.06 5.17 0.00流速仪在隆安站进行中海达RP1 200与RDI瑞江600K流量比测

（1）如表1、图1所示，用iFlow RP1200 ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器的29个测次两个系列的流量进行相关分析，y=1.0 689x-81.146，其中y为瑞智、瑞江ADCP的实测流量，x为iFlow RP1200 ADCP的实测流量，R2=0.9 975，相关系数高，相关性好；这两个系列的流量误差平均值为-2.11%，单次最大误差为-6.48%，最小误差为0，满足规范要求；测量结果证明iFlow RP1200 ADCP测量性能稳定。

（2）如表1、图2所示，用iFlow RP1200 ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器的29个测次两个系列的断面面积进行相关分析，y=1.0 265x-25.115，其中y为瑞智、瑞江ADCP的实测断面面积，x为iFlow RP1200 ADCP的实测断面面积，R2=0.9 989，相关系数高，相关性好；这两个系列的断面面积误差平均值为-1.57%，单次最大误差为-3.78%，最小误差为0，满足规范要求；测量结果证明iFlow RP1200 ADCP测量性能稳定可靠。

（3）如表1、图3所示，用iFlow RP1200 ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器的29个测次两个系列的水面宽进行相关分析，y=1.0 136x-1.8 127，其中y为瑞智、瑞江ADCP的实测水面宽，x为iFlow RP1200 ADCP的实测水面宽，R2=0.9 973，相关系数高，相关性好；这两个系列的水面宽误差平均值为-0.65%，单次最大误差为-3.68%，最小误差为-0.30%，满足规范要求；测量结果证明iFlow RP1200 ADCP测量性能稳定可靠。

（4）如表1、图4所示，用iFlow RP1200 ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器的29个测次两个系列的平均流速进行相关分析，y=1.0 079x-0.0 973，其中y为瑞智、瑞江ADCP的实测平均流速，x为iFlow RP1200 ADCP的实测平均流速，R2=0.9 997，相关系数高，相关性好；这两个系列的平均流速误差平均值为1.06%，单次最大误差为5.17%，最小误差为0，满足规范要求；测量结果证明iFlow RP1200 ADCP测量性能稳定可靠。

根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）中“稳定的水位流量关系曲线、临时曲线法的主要曲线及经单值化处理的单一线，均应计算实测点对关系线的标准差、随机不确定度和系统误差。”“水位流量关系曲线为单一曲线，临时曲线的主要曲线及经单值化处理的单一线，且测点在10个以上者，应做符号检验，适线检验和偏离检验。”的要求，对iF⁃low RP1200 ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器实测29个测次两个系列的流量进行曲线检验计算，做符号检验、适线检验和偏离检验和计算实测点对关系线的标准差、随机不确定度和系统误差（见表2）。

表2 中海达RP1200与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP流量关系曲线检验计算表

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29样本容量：N=29符号检验：u=-0.85适线检验：U=-1.02偏离数值检验：|t|=1.06标准差：Se=2.5%75643122 2 23 24 25 26 27 28 29 67.98 68.00 68.00 69.20 69.25 69.30 69.30 76.37 76.37 76.38 76.38 76.38 76.39 76.40 76.41 3800 3810 3850 4300 4250 4430 4330 576 553 583 563 601 598 590 606 3940 3940 3990 4400 4390 4630 4560 579 564 593 567 590 603 596 613-3.55-3.30-3.51-2.27-3.19-4.32-5.04-0.52-1.95-1.69-0.71 1.86-0.83-1.01-1.14-2.27-2.02-2.23-0.99-1.91-3.04-3.76 0.76-0.67-0.40 0.58 3.15 0.45 0.28 0.14正号个数：4.5允许：1.15（显著性水平a=0.25）允许：1.28（显著性水平a=0.25）允许：1.31（显著性水平a=0.20）随机不确定度：5.0%5.16 4.07 4.96 0.98 3.64 9.22 14.15 0.58 0.45 0.16 0.33 9.90 0.21 0.08 0.02符号交换次数：8合格免检合格系统误差-1.28%

由表2可知，iFlow RP1200 ADCP与RDI瑞智ADCP、瑞江ADCP、流速仪等仪器实测29个测次两个系列的流量进行曲线检验，符号检验、适线检验和偏离检验均符合规范要求，标准差为2.5%、随机不确定度为5.0%、系统误差为-1.28%，符合流速仪法测流定线国家重要水文站一类精度的规定。测量结果证明iFlow RP1200ADCP测量性能稳定可靠。

4 结语

（1）国产ADCP操作简单便捷，获取数据信息完备、质量较好，所测流量、断面面积、水面宽、断面面积、平均流速均具有较好的一致性，测量数据结果满足规范要求。

（2）国产ADCP在各个方面均表现出良好的性能。①国产ADCP具有自主的独特设计，完全满足流量测量所需数据的采集；②国产ADCP配备的测流量软件与国外ADCP配备的软件同样能便捷实用，在测试过程中和测量完成后的数据分析过程中，均有较好的用户体验；③配套的测流软件支持测绘类常用功能，如内置GPS导航模块，支持DXF底图导入，支持不同参考系统下的大地坐标转换，适应AD⁃CP在水文测绘领域的各种专业应用，测量结果支持国内水文行业标准成果导出，并且支持自定义成果导出，深度贴合国内水文测量作业的需求。