水文监测中ADCP流量测验与误差控制分析

赵小宁

（河北省石家庄水文勘测研究中心，河北 石家庄 050051）

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profilers，简称ADCP），在河流平均水深不超过2 m、单元高度在10 cm 左右时，具有较高的监测精准度。当水文中存在着流沙、磁场以及河床不确定等相关因素时，ADCP 流量测验的准确性会受到一定的影响。这时需要采用牵引设备监测，测量过程中还需要注意断面参数的准确性。

1 走航式ADCP 安装、流量测量原理

1.1 走航式ADCP 安装

1.1.1 仪器简介

走航式ADCP 是当前水文行业使用的一种新型高科技测流仪器，同传统的流速仪相比，具有测流历时短、精度高、资料完整、流量结果直接显示等特点。走航式ADCP 是一款适用于浅水河流应用的智能全自动流量测验系统，适用于浅水河流环境的5 波束ADCP，4 个测流速波束、1 个测断面水深波束，通过走航进行检测。

1.1.2 仪器安置

按照示意图进行仪器和测杆安装，需要注意的是3 号波束应当与船头方向保持一致，ADCP 插上插头时需要涂抹硅脂，插入后需要将锁圈进行上锁，拔插头前需要将锁圈松开。电缆的出线需要通过线卡来进行固定，利用扎带固定在测杆后引到船上。采用12 V电源，对正负极进行确认，杜绝接反的情况发生，另外的插头与计算机串口连接。ADCP 安装见图1。

图1 ADCP 安装示意图（单位：mm）

1.1.3 仪器自检

仪器安装妥当后进行ADCP 检测、BBTALK 软件运行的检查，每天工作前都应当按照提示进行操作：对串口进行设置；对ADCP 进行WH 选型；将波特率设置为9 600；发送唤醒的命令；对命令文件运行进行自动检测。

检测过程：点开文件菜单选择发送命令文件，设备进行自动检测，提示出现“rubber beam 1”时对波束1 的超声波发生面采用手动进行快速摩擦，显示“pass”为正常。采用同样的方式对其他波束的超声波发射面进行检测，将传感器和测杆同时放入水中对其断面流量进行测量。

1.1.4 数据采集

点开文件菜单选择采集模式；对通讯口进行设置，点击增加，按照实际情况对设备连接串口的参数进行设置；对仪器参数进行自动设置，通过配置向导结合用户输入的河流具体数据，再结合RDI 公司的经验数据对仪器的参数进行自动设置。设置菜单中进行配置向导选择，菜单弹出后根据实际情况进行资料填写，尤其需要注意ADCP 配置的填写，然后进行运行向导操作，程序会结合数据来进行仪器参数的自动设置和确定，其中包括水层单元的个数、厚度以及测流模式等，确定后退出菜单。程序中如果出现流动底等问题窗口会显示相应的警报，不会对仪器参数进行设置。对仪器设置进行检查时在设置菜单中选择配置设置，对各个菜单的参数设置进行检查，通常不需要对设置值进行修改。

有经验的用户可以在命令菜单中选择个性化命令，对配置文件进行保存时可以在文件菜单中选择保存配置文件选项，这样能够对已经保存的配置文件随时调出。对用户选项进行设置时可在设置菜单中进行选择，采集模式则可以通过选择提示配置文件以及正在记录进行操作，通过X轴坐标来进行显示，需要提前选择，对平均流速数据的个数进行计算设置，选择普通模式中的退出对窗口界面进行自动保存和退出时进行配置的自动保存能够对数据进行有效保存，避免漏存的情况发生，通过高级选项来对单位和公制进行转换设置。

将参考设置为水底跟踪能够对断面进行测量。断面测量的过程中需要将船舶靠岸，对发射进行开始操作，ADCP 就会开始发射声波，选择直看中的列表查看能够在组合列表中对单低速行驶的情况进行观察，对有效层数进行观察后一旦发现超过有效层数就需要停止测量。在采集菜单中选择开始记录数据的选项后计算机就会对数据进行记录，组合列表中的数据个数能够对记录的个数进行直观展示，个数到达10 之后就会开始测量，对数据进行有效采集。船靠岸时有效层数应当≥2 层，船停下后等待数据个数到达10 之后，可以在采集菜单中选择左岸右岸的实际情况检测，对仪器距离岸边的距离进行填写，确定后等待记录数据弹出后对离岸距离进行填写即可。

1.2 ADCP 流量测验基本原理

声源不断接近能够对声调进行加大检测，声源如果逐渐远离则声调的降低与速度成正比，发射声波频率与回波频率之间的计算公式如下：

式中：Fd——声学多普勒的频移；

F——发射波的频率；

V——物体沿着声束方向移动的速度，m/s；

C——声波在水中传播的速度，m/s。

所有换能器的轴线都能够代表一个声束的坐标。ADCP 能够测出所有声束坐标流速的分量，对声束坐标进行直角坐标系的换算后计算出具体的流速。

2 ADCP 流量测验误差来源分析

2.1 误差形成

ADCP 流量测验的误差分为测速偏差、测深偏差、盲区流速分布率定偏差、近岸测距偏差、岸边参数偏差等，这与测量频率、测速和单元厚度有着直接的关系。常规来说，不同的因素会对测量幅度产生制约的影响，因此参数的设置非常重要，如从10 增幅到170 时，误差就会明显下降，需要结合现场实际情况对参数进行不断完善，如果流速超出了设定的范围就会导致误差的出现，造成数据信息的无效监测。

2.2 来源分析

河底的推移质产生运动能够严重影响到测船的航行速度，在水流速度较快的情况下河底的泥沙就会受到冲击形成运行的推移质，这样就会对ADCP 所在测船的航行速度造成影响，监测到的水层流速通常小于实际的流速，出现误差。

水流中泥沙含量较高会导致声波能量反射和吸收增强，距离换能器较近的区域会出现较大强度的回波，距离换能器较远的区域会出现较小强度的回波，甚至回波强度会比本地噪音更低，这样就会缩小ADCP的剖面深度。水流中泥沙含量较高会导致ADCP 的跟踪与水深测量的误差增大，甚至完全失效。

流量测验过程中采用的单元尺寸不同也会对测量内容造成误差影响，如水层流速的测量精度、剖面深度以及流速测量的垂直分辨率等。单元尺寸如果比较小，流量测速就会有较高的垂直向分辨率，测量的范围也会增大，但测量精度会有所下降，也会导致剖面深度出现下降的情况。单元尺寸如果比较大，表层没有检测到的区域就会增加厚度。流速的测量精度与单元尺寸为阶跃函数的关系。

脉冲数据输出的方法不同对流速和流量的测量精度也会造成影响。单脉冲的数据输出会影响到单位时间内ADCP 的内脉冲采用个数和速率，对流速和流量的精度会造成影响。多脉冲的数据输出也会对数据处理效率和计算次数造成影响，需要提升脉冲的发射数量。

流量测验时，非实测区的表层或底层可以采用指数公式来进行明渠均匀流速垂直方向分布的表示，也可以通过指数流速剖面法来进行平均流速的有效估算。

3 ADCP 流量测验与误差控制

3.1 室外测验

3.1.1 定线比测

ADCP 的安装位置与流速仪设备为同一侧，可以根据固定垂线和流速仪监测坐标和测速采样来对误差进行控制，对不同流速状态下的ADCP 和流速仪设备进行40 个样本信息的采集，对测点流速以及垂线流速的分布进行详细的分析。

3.1.2 走航比监测

采用流速仪进行监测时，ADCP 能够进行三次初级阶段到终结阶段的断面流量测定，通过流速仪模式结合平均参数模式来对比流量，ADCP 流量测量的误差远远低于传统偏差。如果河床存在较厚的浮泥且有位移的情况，需要对传播速度进行及时的计算和修正，对误差进行有效控制。

3.1.3 测流断面监测

水文监测过程中为降低环境的影响，需要连续5 次对不同的测流断面进行监测，选择平均值作为参数。如果5 次中出现一次平均值偏差超过5%，则需要对是否存在特异参数进行分析，如果有必要可以再次进行测量，如果无法进行有效判断则再次进行5 次测试，取平均值作为流量的参数。

3.2 误差控制方法

ADCP 流量测验十分适合应用在河面较宽、水深且流速较大的水文环境。影响到误差的关键因素为传播的速度，测量过程中需要结合河流的实际情况和流速情况来有效控制船舶的航行速度。因垂线的平均流速测量与水深有直接的关系，所以需要有效结合垂线的平均流量和流速。测量前需要做好河床移动的预测工作，采用精准度更高的设备对水文进行测量，岸边的水面宽度可以采用目测结合经验的方法来进行估算。

4 结语

综上所述，水文断面流量测验中采用ADCP 能够更加接近水文流量模型，快捷便利地对水文进行实时监测。但测量中遇到水深不够、河床为流沙以及周边存在磁场的情况，就会对测量精准度造成影响。因此，对水文断面位置进行测量时需要采用牵引设备，使用过程中应当将参数进行精准输入，对不同断面进行测量时要考虑实际情况后进行操作，提升测量的精准度，对误差进行有效控制。