关键词：走航式ADCP;流量测验；测验对比
走航式ADCP，是声学多普勒流速剖面仪的简称。作为当前被广泛采用的较为成熟的流量测验仪器，走航式ADCP的测验工作应对水文应急监测、突发性水事件、边界水量巡测等，数据精确、操作简便。通过与传统的流量测验方法进行对比，走航式ADCP的精度更高、劳动强度小，而且速度快，具有对河床断面、河流流苏、流量、流向等进行随时测量的特性。应用前景十分广阔。
1、走航式ADCP的定义以及功能概述
走航式ADCP是美国RDI公司生产的，全称为声学多普勒流速剖面仪，目前分为走航式和固定式两种。走航式ADCP上配备与ADCP轴线形成夹角的换能器，共有4个。利用声学系统向水体发射固定的频率的声波，在水体中声波是悬浮的，遇到水体中的颗粒物产生反射波，通过对反射波与发射波的频率的记录，得到了多普勒频移。继而可以计算出水流的相对ADCP的速度，走航式ADCP还能够向河床发射底跟踪声波，测算出ADCP的运动速度和水的深度，根据水流相对速度，将船速扣除，然后得到水流的绝对速度[1]。
多普勒频移方程的计算公式：
Fd=2FV/C
公式中，F为发射波频移，V为沿声束方向的水流速度，C为声波在水中的传播速度。
2、传统水文测验方法
在传统水文测验过程中，所使用的传统水文测验方法，通常是采用流速设备完成整体的流量测验。此种流量设备的主要测量方法，是通过借助大断面之间的测量，根据不同的断面情况完成测深垂线、测速垂线的整体布设，通过根据所设垂线的有关水深情况，使用几点法展开，完成最终的流量测验结果计算[3]。因此在此种测验方法实施的整个过程中，整体测验步骤较为复杂。如HSH—IL型超声波测深仪进行测深,转子流速仪测速。其基本原理是在测流断面上布设多条垂线，利用水文缆道依次测出每条垂线上的水深及流速，进而得到断面面积和断面平均流速，最后再利用断面面积和断面平均流速的乘积计算出断面流量。
3、传统水文测验方法与走航式ADCP的功能比较
3.1传统水文测验方法的缺点
传统的水文测验，采用流速仪进行流量的测验。采用流速仪能够进行大断面的测量，根据断面的情况，进行测速和测深垂线的布设，根据测速垂线的水深情况，确定好几点法之后，进行流量测验，得到最终的流量成果计算。根据年鉴资料整理，按照规范最终进行小数位的取舍，计算过程是非常繁琐的[2]。同时还有如下的缺点
（1）一次只能测量一个测点的水深或流速，整个测验过程耗时费事，技术人员劳动强度大。
（2）机械转子对流速状态产生干扰，导致测速误差大。流速仪在使用前虽然经过了KC值的率定，但随着时间的推移和使用次数的增加，仪器本身的磨损会使得测验越来越不准确。
（3）仪器入水后由于流速的脉动对铅鱼产生的拉力同悬索的弹性间难以达到平衡，导致测验仪器在垂线相对位置上下摆动,造成测验误差。
（4）现场测验数据依靠人工处理，容易出错。
（5）水文信息的采集，处理，传输时效性差，无法适应现代水文监测的需求。
例如在江河和湖库中进行水文测验的过程中，采用传统的流速仪进行船速的测量的时候，由于水文绞车较为笨重，测量过程中，遇到水深流速大的情况，会给测量人员带来风险和较大的劳动力安，而且，对于水深的测量要不断纠正倾角，这在走航式ADCP进行流量测量的时候是可以避免的。
在进行水文缆道、桥测和船测的时候，如果遇到突发水事件或者巡测的时候，没有桥梁和缆道设施的时候，由于传统的流速仪的测量，因为断面必须垂直于河道才能进行测量工作的局限性，因此对于直线断面要不断地进行流量的改正。相对来说，走航式ADCP的优势就显现出来的。遥控船可以安放走航式ADCP，现场不会犹豫船只开行受到影响，测量地点和路线均相对自由[3]。
3.2走航式ADCP的技术优势
与传统的流速仪进行流量检测相比，走航式ADCP的测量根据现场的情况，在确定采用遥控船测量还是采用缆道测量以及桥测。 遥控船式ADCP走航，是用遥控器控制ADCP仪器安装在其中的遥控船，进行流量的测量。缆道的测量则是将安装有ADCP的仪器的三体船，悬挂在缆道的循环索上，利用缆道的测量ADCP进行船的来回的流量的测量。在测量过程中，可以应用外接电脑进行流速、流向、流量、水深等的直观的观察，并同时得到相关的数据。而且在电脑上直接生成成果表。
ADCP是利用声波的多普勒效应特性，通过换能器向水体发射高频声脉冲，并利用水体回波的频移来测定水体流速的。
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ADCP基于如下的公式计算流量：
Q＝s×u×ξ×ds （1）
式中：Q——流量；
S——断面部分面积；
u——断面流速矢量；
ξ——航迹单位法线矢量；
ds——断面面积微元，可由下式确定：
ds＝|Vb|×dz×dt （2）
式中：dz—垂向长度微元，z自河底起算；
dt—时间微元；
Vb—船速矢量；
|Vb|—航速
由于ADCP的整个测算过程都是自动完成的，技术人员只是按照一定的要求将仪器在设定断面上经过就能够完成全部测验工作，因此，相对于传统测验方法来说，ADCP具有以下几个方面的优点：
（1）测流速度快，效率高，一台ADCP相当于多台转子流速仪同时在工作。
（2）测验中不破坏流场，所测得的数据能真实反映水流的三维状态。
（3）劳动强度小，安全系数高,操作简便，测验范围广，线性好。
（4）高频次发射的脉冲信号，对同一测点进行多次测量，计算出的结果更加精准。
4、走航式ADCP与传统测验的工作原理比较
传统的流速仪进行流量测量的时候，需要进行垂线的布置，流速的测量、大断面的测量以及流量的计算等，测验的工作原理是借助河道的桥梁、生活或者船等，测量的方式有限制[4]。
走航式ADCP的工作原理与传统的流速仪的测量是相同的，但是相对来说，分工更加精确，利用声学多普勒效应，进行流量的测量，安装的换能器既是接收器，也是发射器，通过一定频率的脉冲的发射和回收，得到了碰到水体悬浮物之后反射回来的回波信号，ADCP接收到这个信号之后，通过跟踪测得的水中颗粒物的运行速度，去除船的速度，得到了矢量差。船速的测量采用底跟踪的方法，在测量的过程中由于仪器设备的局限性，最终得到了换能器上部水域、底层和左水边、右水边的四个盲区的数据。
5、走航式ADCP应用于允景洪站流量测验分析
鉴于如上内容针对走航式ADCP与传统水文测验对比分析，发现走航式ADCP具备了较多的优点，特别是在完成巡测、应急测验以及备用测流的过程中。随着距允景洪水文站测验断面上游4公里的景洪电站开始兴建及2008年6月蓄水发电后，逐步改变了允景洪水文站测验断面控制条件及水沙特性，使该站原有的流量测验方法和仪器设备都难以满足受电站水利工程影响后的测报要求，对该站所承担的城市防洪、国际报汛等重要工作带来了严峻的考验。为解决好这一问题，急需尽快对允景洪水文站进行升级改造，以确保受电站影响下各项测验工作的正常开展，在这一迫切要求下，促成了用走航式ADCP流量测验方法代替传统流量测验方法的过程。
走航式声学多普勒（ADP）测流缆道位于原超声波测流缆道测流断面下游19.0 米处，2009年5月份正式投放运行，到目前运行良好。
结语：
走航式ADCP具有测流历时较短，劳动强度小、精度较高的特点，在定点流量测验和巡检的时候，能够发挥优势，相较于传统水文测验存在诸多不可替代的优势，由此是未来我国水文测验工作开展中的主要发展方向。未来进行水文监测建议多使用走航式ADCP的测量方法。通过对走航式ADCP和传统水文测量方法的比较，可以看到二者的优劣比较结果，在应用中可以根据实际情况进行选择。
参考文献：
[1]王春华.走航式ADCP在川西北山区性河流的应用研究[J].中国高新技术企业,2016,(17):133-134.
[2]黄振统,蒋德禄.走航式ADCP在水文流量测验中的运用[J].现代物业·新建设,2015,(7):10-11.
[3]胡艺,杨国梁.走航式ADCP在测流中的应用[J].大科技,2015,(19):168-168,169.
论文作者:张云华
论文发表刊物:《科技中国》2018年3期
论文发表时间:2018/8/6
标签：测验论文; 流速论文; 断面论文; 测量论文; 流量论文; 水文论文; 垂线论文; 《科技中国》2018年3期论文;