走航式ADCP 在水文测验中的应用

2024-01-01马厚标胡灿华崔海涛

山东水利 2023年9期

马厚标，胡灿华，崔海涛

（济宁市水文中心，山东济宁 272019）

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）即声学多普勒流速剖面仪。ADCP 在水文测验工作中具有机动灵活、高效便捷、精细准确等显著优势，近年来在水文监测领域得到了广泛应用。该仪器按照测量方式，可分为固定式和走航式[1]。其中走航式ADCP 适用于含沙量不大、漂浮物不多条件下的水文测验测流工作，是目前的主力测流设备。国内对其应用研究起源于二十世纪九十年代，二十一世纪初各地普遍开始进行ADCP 水文测验的应用研究，并逐渐在生产中推广应用。随着《声学多普勒流量测验规范》的颁布，使用ADCP 测流正式成为水文测验的一种常规手段。然而，在使用走航式ADCP 进行水文测验过程中，对于出现的问题如不能采取科学有效措施加以解决，轻则会引起水文测验中流量成果产生较大误差，重则造成流量数据错误，尤其是洪水来临时，将直接影响防汛部门决策的科学性，对人民群众生命和财产安全造成威胁。

1 走航式ADCP 测流原理

走航式ADCP 测流原理和流速仪测流原理基本相同，都是在测验断面上布设多个测点，多条测深、测速垂线，然后分别测出各条垂线所在位置的水深和流速，根据流量测验基本公式，得出部分断面流量，所有部分断面流量累加得到全断面流量[2]。不同的是，走航式ADCP 相当于可以测量高密度垂线和测点的流速仪，相应的垂线数和测点数远远高于普通流速仪所采用的精测法。测流时，走航式ADCP 直接根据测到的所有微单元流量累积得到实测部分流量，顶部、底部盲区流量和岸边部分流量是推算值，这4 部分流量合成断面流量。

2 常见问题及解决办法

2.1 载体及外接设备的安装

走航式ADCP 需要渡河，因此仪器探头需要有载体，常见的方式有使用测船安装、缆道安装、专用或临时浮体安装等。生产上通常采用专用浮体安装，用小型测船牵引，这样可以尽量减少仪器入水深度、减小测量盲区，并且避免较大的测船在航行中对水流的影响。风浪较大、浮体摇晃影响观测的，可采用船载安装。船载安装时，水深较小、测船较大的采用船头安装，水深较大、断面较宽的可采用船舷安装，通航河段交通频繁、河床不坚硬的可采用船底安装[3]。仪器应安装牢固，安装过程中应防止碰撞仪器的探头表面。在确认信号线、电源线正确连接后方可通电工作。

外接设备也需要仔细安装，GNSS 接收机应安装在仪器正上方，其高度要尽量低，以免船只摇晃时产生垂线定位偏差。外接罗经的艏向应与ADCP 艏向完全一致，否则可能导致较大的流量误差。在外接GNSS 接收机时，除非确认测船或浮体等没有电磁干扰影响，否则必须进行ADCP罗盘校准，外接罗经为磁罗经的也需要校准，否则会因方向误差导致较大的流量偏差。当需要外接测深仪时，测深仪换能器应临近ADCP 安装，与ADCP 的轴向保持平行，因此测深仪支架宜与ADCP 支架一并设计制作。

2.2 仪器安装和检测

在安装时，仪器要轻拿轻放，安装牢固，连接换能器的插头上要抹适量硅脂，插好后要注意锁好锁圈。接通电源时，仪器会发出“嘀嘀嘀”的声音，如果听不到声音，可在WinRiver2.10 软件菜单栏“新测量”选项卡中进行检测，在检测过程中，要把ADCP 外面的保护套拿掉，避免影响讯号发射，同时要保证线路连接良好，电源电量充足。检测结果正常但还是不能开始工作的，则应检查硬件是否存在故障。

2.3 差分GPS 检测

在仪器正常的情况下，GPS 接收机的指示灯应为闪绿灯，差分灯应为闪红灯。常见问题是收不到卫星或者差分数据，通常原因有以下5 种：线路链接问题，硬件故障，附近有高大建筑、桥梁等影响信号接收，仪器配套手机卡停机，正在使用的账号已在别处登陆。相对应的解决方法是：检查线路各部分是否完好；检查硬件是否损坏；避开障碍物；检查配套手机卡是否停机；检查账号是否有他人正在使用。

2.4 GPS 罗经检测

在仪器正常情况下，点击“检测GPS 和罗经”，指示灯会很快变绿。如果未变绿，要依次查看线路连接、通讯状况是否良好。通讯检测可以首先查看硬件设施中的通讯端口是否正确连接，然后在接收机配套软件里设置相应的端口，最后在WinRiver2.10 软件配置的外围设备里设置检测参数。

2.5 测流参数设置

主要参数有底跟踪呯数、水跟踪呯数、单元尺寸、单元数、盲区设置。参数要根据测流断面情况合理设置，其中，水跟踪和底跟踪呯数应根据断面宽窄、水深大小进行设置，以全断面流速分布平滑及垂线间隔设置需要为原则，具体数值需要通过试验进行判断。深度单元数的设置不能超过设备允许的上限，而且深度单元尺寸与深度单元数的乘积要大于或者等于所测断面的最大水深[3]。通常情况下，在最大水深处，实际观测到的单元数要比仪器可设最大单元数至少少2 个。因此，在控制综合误差的要求下，单元数越多，垂线流速观测分辨率越高，垂线流速观测结果也越接近真值，单元数尽量不少于20 个。但是，垂线上单元数的设定要兼顾对断面垂线数的影响，设置单元数越密，信号处理耗时越多；反之，在控制走航历时的条件下，断面上得到的总垂线数越少、垂线间隔就越大。因此应该合理确定单元尺寸的大小。具体操作中，可以先到断面最大水深处，从最多可设单元数相应的单元尺寸开始，逐渐增大单元尺寸，取垂线剖面数据的信号间隔在明显由大到小的变化转为不再明显变小的节点，以此时设置的单元数为最佳。盲区设置要小于仪器标称的最小盲区值。如果水深足够大，可以适当增大盲区设置值，对于需要进行流速分布数据提取的，可以根据要求通过盲区值的设置将单元位置设定在逢5 或0 的位置。

2.6 走航施测流量

采用船载方式走航施测时，首先逆流缓慢向断面起点前行，快要抵达起点时，使船速与流速基本接近，到达起点位置后使船只稳定，启动数据采集功能，下达开始记录指令，记录水边距。待达到所需数据量后，操控船只沿着横断面匀速离开。当接近终点时候，提前降低船速，并最终控制船只稳定于终点位置，等达到岸边流速计算所需的数据量后，下达结束本单程测回的指令，记录水边距，如需进行返测，则继续控制船只稳定在终点，下达开始记录指令，记录水边距，待达到所需的数据量后，操控船只沿着横断面匀速返回。在对岸重复上述操作。

2.7 航迹中途或者河底位置出现空白的处理

如果仅在航迹中途出现空白，测船要在空白部分重新测流，不会对最终测流结果产生影响。如果在河底位置出现空白，则该测次测流数据无法使用，需要进行重测。

2.8 走沙判断

在多沙地区，有一些河流存在推移质运动或者河底存在高含沙水层，当ADCP 的声波不足以穿透沙层抵达河床的硬底并正常反射时，就会出现航迹偏离。如果将ADCP 固定在某处不运动，则可以看到数据表现出仪器在往上游运动的假象，这种现象被称为“移动底”现象，也被称作“走沙”。通常有4 种应对方法：一是采用频率更低的设备，但这样分辨率和精度会有所下降，水深较小时流量误差会比较大；二是外接GNSS 定位设备，但需要在进行准确的磁偏角设置和罗盘校准有磁干扰情况下；三是采用“回路法”，但须按照流程正确设置软件并进行操作；四是采取固定垂线方式观测，将ADCP 当做流速仪，用水跟踪值计算垂线流速。以上4 种方法，可以根据具体情况合理选用。