水文测验中定点式ADCP设备运行维护及故障处理方法

黄 炜，张晨旭

（江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210013）

1 概 述

流量是水利规划设计、防汛调度、水资源管理等工作的重要基础资料。流量获取按测验方式可分为以缆道流速仪、桥测、走航式ADCP为代表的人工测验方法，以定点式声学多普勒剖面流速仪（定点式ADCP）为代表的自动测流方法［1-2］。随着水文现代化和测验方式改革进程的推进，自动流量监测已成为实现水文监测现代化的关键。定点式ADCP的应用可有效提高测流效益，特别是在水位流量关系复杂的测流断面，采用定点式ADCP 测流不仅可以进行连续的测流，而且可大幅减少测验人员投入，并降低运行成本。定点式ADCP 作为一种实时在线的自动测流设备，其设备运行状况直接决定了测验精度、测验稳定性以及测验长效性。

目前，相关研究主要关注于ADCP 设备的适用性、比测率定［3-4］、流速分布［5］等方面。笔者结合应用实践，对定点式ADCP 自动测流系统运维维护及常见的故障分析和解决办法进行分析，为设备的推广应用提供借鉴。

2 定点式ADCP系统组成

ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度的仪器，即通过ADCP 换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物（假定水体中颗粒物与水体流速相同）散射回来的声波，经过换算测得断面流速，进而根据断面面积可算得流量。定点式ADCP 测流系统一般由ADCP 设备、辅助设备、数据传输设备及软件系统共同组成，包括ADCP 换能器及设备安装平台等。

目前应用的定点式ADCP测流系统中，ADCP换能器以RDI 和Linkquest 设备为主，设备安装分横向式安装和垂向式安装2 种。其中，横向式安装是将换能器安装在测验河段岸边，以水平方式向河段横断面发射超声波，测得某一水层的流速分布；垂向式安装是将1个或数个换能器安装在测验河段河底基座或锚定的水面浮标上，向水面或河底发射声波，测得1 根或数根垂线流速分布。辅助设备包括水位计、供电系统等，水位计一般采用浮子或压力式水位计，供电系统采用太阳能供电，数据传输系统包括数据采集控制及传输设备（RTU、DTU）等。软件系统包括设备设置软件及数据处理软件等，具备参数设置、数据采集、数据存储、数据上传、查询备份、异常预警、接受指令、数据处理以及流量计算等功能。

江苏省定点式ADCP 测流系统采用测站、省中心的运行模式，测站设备测得的数据按照《江苏省水文自动测流系统数据传输规约》，通过GPRS VPDN（主信道）或CDMA VPDN（备份信道）传输到分中心或省中心的水文自动测报平台，分中心通过省中心进行相关的运行管理、数据查询和应用。

3 定点式ADCP设备维护要点

对定点式ADCP 系统的运行维护，主要包括换能器检查与维护，设备安装平台检查维护，电源、通讯等辅助设备的检查维护，数据传输设备及采集软件维护等。

3.1 换能器检查与维护

换能器是ADCP中实现电能与声能相互转化的主要设备。一般定点式ADCP 具备4~9 个换能器，每个换能器既是发射器又是接收器，通过感应水体中的声波能量反射情况来推算流速。因此，换能器运行状态直接决定了断面流速数据测验的准确性，特别是换能器表面的干净与否，直接决定了回波强度的好坏。ADCP 换能器检查维护步骤如下。

（1）标记好现有ADCP 换能器安装位置，将ADCP 换能器升出水面并对表面附着物进行清洁，确保ADCP换能器表面清洁，无污泥、杂草等附着物等。当发现探头表面有明显裂痕时，应检验是否影响测验精度。

（2）清洁完毕后，将ADCP换能器放至原先安装高程，确保换能器安装高程保持在初始值±2 cm 以内。通过三维姿态等数据校核换能器安装位置，保障ADCP安装三维角度变化≤1°。

（3）通过软件对系统性能进行现场抽检，确保指标均通过，抽检声波信号质量、数据成果质量应达到优良级。将检查后的测流数据和检查前数据进行校对，确认数据满足使用要求。

在运行过程中，如果发现ADCP 成果数据流速异常或者点流速的流速分布不合理，则需要对ADCP 进行检查。最直接的检查方法就是查看ADCP 的信号强度，通过信号强度衰减情况来判断波速测量路径上的异常。由于声波在水中悬浮粒子的摩擦和反射，会造成信号衰减，标准的信号衰减是平缓的或平滑下降，如果信号强度有突跳的反射或者剧烈的衰减，就可以认为声波路线上有异常障碍物在影响测流，并且根据回波强度异常增强位置，可以大致定位遮挡位置［6］。可通过ADCP 换能器波束传播图，区分波束传播正常或波束传播受断面影响两种情况。若波束传播信号强度平滑衰减，可以判断ADCP 换能器运行正常，并且河道断面波速方向上无障碍阻隔。若有较小的反射信号，一般可能是水中悬浮物所影响，可通过查看多组信号强度进行比较。若此处反射可消除，即该处的影响是临时的，可认为其影响不大；若有较大的反射信号，一般认为障碍物或者信号对水面造成了强反射信号，可在测验断面现场情况进行再次检查确认。

3.2 设备安装平台检查维护

定点式ADCP 有横向（H-ADCP）和垂向（VADCP）两种安装方式，安装支架的稳定性决定了ADCP测验的质量，由于都是涉水安装和运行，维护不及时容易造成设备损坏、测验数据不准等问题。ADCP 主机姿态要保持同一性，各测次才能保持测到同一地点（相同起点距）的水流速度，也是控制单断流速率定精度最重要的基础。

根据实践经验，对于H-ADCP 主机安装姿态应符合的要求包括：将仪器水平安装，与河流主流线或者中心线平行，并保持仪器姿态固定，纵横角度误差应控制在±1°之内，以保证指标流速率定关系稳定。对于V-ADCP，安装基础一般在代表垂线位置（偏离不大于50 cm）打桩到河床以下1.2 m，并安装自动浮起装置，ADCP（面向上游）的安装近端偏角为20°（与竖直方向的夹角）左右。

在对设备安装平台进行检查维护时，主要包括以下步骤。

（1）对安装平台稳定性进行全面检查，确保整体安全牢固，无锈蚀、挂渣、摇晃等现象。

（2）对ADCP安装架、连接钢丝稳定性进行检查维护，确保不影响监测质量。

（3）安装位置的河段淤积情况也会对测验精度造成影响，应该定期对安装平台所在测流断面进行大断面测量，保证ADCP 测流断面和原安装断面一致。若有淤积应尽快清淤，特别是对影响ADCP 信号发射的断面，必须立即清淤。

3.3 辅助设备检查维护

电源系统和通讯设备是保障定点式ADCP测流系统长期运行及数据传输的重要辅助设备。

（1）检查太阳能电池系统，保持太阳能电池板镜面清洁、无裂纹，密封采光性保持完好，主板使用期及主板的故障率评价为合格及以上。太阳能电池板镜面以南无遮档范围≥180°，蓄电池表面整洁，蓄电能力及故障率评价为合格及以上。对太阳能板电压、蓄电池电压、接地地阻进行测量，测量接地电阻≤4 Ω，防雷模块运行正常。

（2）检查设备电缆，确保线路畅通，单位长度电压衰减量处于正常范围，不同时期衰减量记录变化保持在±20%以内。岸上部分电缆线套管及防雷接口稳固无松动，水下电缆线套管稳定且紧贴河底，供电、通讯系统电缆线外层无缺损暴露，无松动、无挂物，线缆套管密封性好。

（3）对防腐蚀部件进行检查，当防腐蚀部件腐蚀严重时，要及时更换该部件。检查数据通讯模块，确保运行正常。对数据采集器、通信设备功能进行逐项测试，确认设备工作正常并做好参数备份。

（4）检查水位计，提起水位计，查看读数有无变化。确保无影响水位计正常运行的情况，对水位进行校核，与遥测水位误差应在±2 cm以内。

（5）检查设备机箱，确认现场机箱设备外观完好，保证设备清洁。对机箱内外进行擦拭，线缆进行整理并合理布局。

3.4 信息传输设备及系统维护

目前，江苏流量自动监测站测流数据（包括流量、断面面积、断面流速、测流原始数据等）采用移动4G VPDN 单信道模式上报。监测站遥测终端自报信息传输至分中心采集平台（流量数据），分中心采集平台将信息进行初步合理性判断后入分中心数据库，通过交换软件传输至省中心数据库。原始数据包括点流速、回波强度、代表流速、正北偏角、横摇、纵摇等。在平时运行过程中，要求对测站采集软件配置校验，分析数据及系统运行诊断，确保设备在运行周期内稳定正常，测验数据能实时传输至省水文自动测报平台。

4 常见故障及处理方法

ADCP 测流系统是由ADCP 主机、辅助设备、传输设备等共同组成的复杂系统，任何部分出现运行故障都可能造成整个测流系统运行不正常。其中，ADCP 换能器由于长期在水下环境运行，容易造成设备运行故障，ADCP 换能器出现故障的具体表现在设备无数据上传、数据少、信号强度较差、流量突变等几个方面。表1中总结了定点式ADCP 系统常见故障及处理方法。

（1）对于设备无数据上传，引起故障的原因包括ADCP密封插件由于使用时间较长，插针、插孔锈蚀，或由于雷电、老化、潮湿等原因，导致ADCP电源板损坏以及ADCP设备超期使用造成设备化能器故障等。目前，对于ADCP 设备使用周期尚未有明确的规范要求，根据日常使用经验，使用年限超过5 年的设备存在设备老化的较多，使用年限超过8 年的设备建议进行更换。

（2）对于数据量较少或信号较弱，引起故障的原因包括ADCP 探头安装位置发生较大变化或者ADCP探头前有杂物遮挡。当安装断面泥沙含量较高，水草、杂物较多时，或者ADCP设备老化、性能减弱时，都有可能造成ADCP 点流速减少。当ADCP设备安装位置过高或过低，安装偏角上、下倾角较大，也有可能造成点流速数据突变。

（3）对于辅助设备，常出现的故障包括工控机不工作、断电，太阳能供电系统工作时间小于1 周，浮子水位计、雷达水位计、ADCP自带水位计数据不准确等。对于数据传输，常出现的故障包括测站软件工作不正常，数据传输不正常等。

5 结 语

水文设施及相关设备的正常运转是确保水文测验、预报数据准确及时的基础。为了适应经济社会发展的需要，不断提高服务社会、服务公众的能力，有必要对自动测流设施运行管理现状进行研究分析。针对实际运行中存在的问题，提出优化措施，建立适用于水文自动测报站智慧化的运维管理方案，为水文系统的精细化管理和运行提供新的思路和解决方案。