摘要：ADCP(英文全称Acoustic Doppler Current Profiler,中文译为声学多普勒流速剖面仪)是近20年来发展起来并得到广泛应用的新技术，它利用声学多普勒效应进行测流，可大大减轻劳动强度，并且对测验条件要求不高而得到普及应用。本次实验系统介绍了ADCP的工作原理，测验原理，并根据大量实地测量的数据，详细论证了ADCP在平原地区低水流条件下的应用。
关键词：ADCP；声学多普勒效应；底跟踪；低水流；比测
1 ADCP简介
1.1 ADCP的工作原理
ADCP利用声学多普勒效应进行测流。换能器发射出一定频率的脉冲信号，该脉冲信号碰到水体中的悬浮物资后产生后向散射回波信号，该信号被ADCP所接收。悬浮物资随水流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。
为了测量流速，ADCP（以下均为瑞智）新设计的圆形阵相控传感器由2592个电子单元组成，平面相控阵换能器形成4个测流波束，另设有一个活塞式垂向换能器第5波束测水深，一体集成。
1.2 ADCP的应用原理
ADCP与传统流速仪测流方法（桥测、缆道）及浮标测流方法的基本原理一样，将整个测流断面化分为多个子断面（即布设多条垂线或测点），在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到垂线（即子断面）的平均流速和流量，再将各个子断面的流量累计得到整个断面的流量。
ADCP的安装和应用，是将ADCP安装在移动平台上（调查船），进行走航流速剖面测量。这时测得的“速度”是船舶航速和水流流速的矢量和，必须把船速从这一矢量和中除去，才能获得真正的流速。为此，必须采用“底跟踪”技术。所谓底跟踪是指ADCP通过接收和处理河底的回波信号跟踪船只相对于河底的运动速度（即船速），测得这一速度即可轻易地获得流速真实值。
实际测流时将装备有ADCP的测船从河流断面的一岸移动到另一岸，ADCP能马上测出断面的流速剖面和流量，效率较传统方法大为提高。
1.3 ADCP与传统流量测验方法的比较
（1）平原地区流量测验方法分为流速仪法和浮标法。其中流速仪法可以分为一点法、二点法、三点法、五点法、六点法和十一点法，浮标法只在不具备测量条件且急需抢测洪峰时采用。传统流速仪法是静态方法，流速仪是固定的。ADCP法是动态方法，ADCP随测量船运动中进行测验。
（2）传统流速仪法要求测流断面垂直于河岸，浮标法也要临时布设多个测点，而ADCP不严格要求测流断面垂直于河岸，测船航迹允许一定的斜线或者曲线。不过，测船航迹过分斜线或者曲线，对水深和流量的精度影响较大，测量过程中尽量让测船保持直线航行状态。
（3）传统流速仪法是在整个测流断面均匀的布设多个测点，但通常不会将断面划分的十分细致，在垂线的布设上受测流断面的河床地形（比如深沟，陡坡，河道阻流物等）影响较大。另浮标法测流的方式比较粗糙，精度不是很高，一般不建议采用。而采用ADCP时，由于ADCP采样速率很高，可以将测流断面的垂线划分的很细，且在垂线上的测点也非常多。
2 ADCP在平原地区的应用情况
2.1 江汉平原与潜江市河流状况
全国的平原最典型代表为素有鱼米之乡之称的江汉平原，而潜江地处江汉平原腹地，古有云梦泽之称，可谓是沟渠相通，河湖相连。在潜江境内的生产和生活有两大水源地，分别为汉江和长湖，兴隆河、东荆河和汉南河取水汉江，田关河和四湖总干渠取水长湖，五条河流分别贯穿潜江全境，最终汇入东荆河流入长江。
2.2 ADCP在潜江市境内的应用
为适应“自动为主、人工为辅，巡测为主、驻测为辅，常规监测为主、应急监测补充”的水文监测模式，大力推进水文监测新技术的应用。按照“先进实用、需求导向、精度适宜”的原则，推进水文监测新仪器应用，潜江水文局在2014年就开始采用ADCP在潜江境内的流量测验。
3 ADCP和流速仪在潜江市境内的比测情况
3.1 ADCP介绍
本次实验采用的ADCP是全自动瑞智相控阵河流RIVRAY600-I型，编号:65143。其特点是便于携带、装配方便、操作简单、智能全自动，可随着流量变化自动调整采样频率；自适应连续取样使流量测验方案更优化，没有人为的干预也能到达高质量的数据。其主要性能指标如下：
频率 600K
测量深度 表层、浅水、深层三种模式和三种不同单元尺寸根据水情变化，可同时运行和采集数据，始终有5个单元。
流速范围 ±5m/s(默认) ±20m/s(最大值)
流速分辨率 1mm/s
3.2 ADCP在潜江境内使用的航行方法
（1）在河道的两岸分别固定一根钢筋桩，然后将一根尼龙绳索的两头分别系于两根钢筋桩上。
（2）将ADCP测量船上的安全环套于尼龙绳索上，再在测量船上系上一根尼龙绳索以便于工作人员在河道两岸进行拖拉。
3.3 LS78型旋杯式流速仪介绍
（1）旋杯式流速仪的工作原理
旋杯式流速仪是一种传统型、垂直轴转子式流速仪器，用于测量某一过水段面中预定测点的时段平均流速。当水流作用到仪器的感应元件——旋杯时，水流带动旋杯转动，旋杯的转速借助于仪器的接触机构转变为电脉冲信号进而传到计数器上。转速与转动力矩存在一定的函数关系，此关系是通过检定水槽的实验确的。
（2）主要参数
本次实验采用的流速仪是LS78型旋杯式低流速仪，编号120433。该流速仪用于测定一般河流、渠道、水库、湖泊等过水断面中预定测点的平均流速，从而确定该断面的流量。
1）测速范围：0.06～5.0
2）仪器的起转速：V0≤0.018m/s
3）每二次信号间旋杯的转数：1转
4）检定公式的均方差：m≤±1.8%
5）旋桨水力螺距：780mm
6）回转直径：∅130mm
3.4 ADCP水深比测
兴隆河源于汉江，流经高石碑镇，王场镇，是两岸人民生产生活的重要保障，沿途水网发达，沟壑纵横，水利设施众多。研究人员选址在离兴隆河源头五公里一节制闸出口处八字墙内作为目标进行比测。此节制闸八字墙内闸底水泥硬化，水深浅，无流速，有坑洼，有部分淤泥。测量方法为对同一测点的水深同时采用测深杆测量和ADCP读数测量。
水深比测分析发现：
当闸底为水泥硬化时，测得水深与实际水深没有误差或误差很小，最大误差绝对值也只有0.01m；在闸底有少量淤泥和淤泥过深比测时，测得水深与实际情况则有一定误差，最小误差绝对值为0.01m，最大误差绝对值为0.10m；在水深≤0.17m情况时，ADCP不会产生水深数值。通过比测结果发现，在比测点淤泥过深时，由于测深杆插入淤泥直至水泥硬化底，ADCP读数与测深杆读数会有较大误差，但这并不会影响ADCP在实际工作中对水深、流速、流量精度的影响，因为在有淤泥的地方不会有水流，更不会产生流量。依据中华人民共和国水利行业标准SL443-2009， 借用《水文缆道测验规范》中5.5.6中第2条规定，当水深小于1m时，误差绝对值不应大于0.05m。因此，水深比测精度符合规范的规定。
3.5 流量比测
研究人员为了准确地分析出ADCP在平原地区的适应性能及所受影响情况，在潜江境内田关水文站、浩口水文站、田关泵站、东荆河倒虹管上下游、兴隆河等处选取10余条河流进行了比测。为了更好的验证ADCP在平原地区低水流条件下的真实应用，研究人员选择测量时间从2018年枯期的1月9日开始，至汛期6月14号结束。期间，水流状况复杂多变，有低水位低流速，有低水位高流速，有中水位低流速，也有中水位高流速。其目的就是通过各种水流情况进行比对，相互准确印证出ADCP在平原地区低水流条件下的测量精度及其稳定性。
比测方法：
ADCP与流速仪（缆道）测验流量的比测
选址田关水文站。田关水文站31.53m以上为高水，28.52～31.53m（含）为中水，28.52m以下为低水。田关（闸上）站测流断面为缆道断面，其流量大小受上游来水、下游东荆河水的顶托及开关闸的影响。即使在水位较高的情况下，由于闸门开启不高，流速小，也为低流速条件下的流量比测试验创造了良好条件。
ADCP与浩口老闸新闸测验流量合成的比测
选址浩口水文站。浩口水文站有老闸和新闸两个测流断面，老闸与新闸前后相距60m左右，中间被一条宽5m左右的横堤隔开，被一分为二后在老闸下游出口处又合并成为一条河流。在测流过程中，分别对老闸和新闸的断面进行流量测验，再到老闸下游500米处一制衣厂门前选取合适断面进行流量测验。将两处分断面的流量和与合成测验流量对比，以此验证流量结果的合理性。
（3）运用浩口水文站的流态率定线推流量与ADCP所测得流量进行比测
（4）东荆河倒虹管上下游流量的比测
东荆河倒虹管是引兴隆河水入潜江城区百里长渠的一条下穿东荆河的引水箱涵，倒虹管上游（入口）和下游（出口）相距1000m左右，之间没有其他水体汇入，因此认定该倒虹管上下游流量应该相等。
常规流量测验
选址兴隆河，百里长渠等河流。
流速与流量比测结果：
ADCP测验与旋杯测验（缆道）的各项数据
平均水深最大误差为0.09m，最小误差为0.01m；
最大水深最大误差为0.28m，最小误差为0.04m/s；
平均流速最大误差为0.020m/s,最小误差为0.000m/s；
最大流速最大误差为0.078m/s，最小误差为0.026m/s；
流量最大误差为1.1m3/s，最小误差为0.2m3/s。
流速与流量比测成果分析：
研究表明，ADCP在低水位低水流的情况下，平均流速、平均水深、总流量以及其它各项测验成果均符合中华人民共和国国家标准GB50179-2015《河流流量测验规范》的规范要求；在中水位低水流的情况下，ADCP测验得到的平均流速，ADCP测验流量与旋杯测验流量，均符合中华人民共和国国家标准GB50179-2015 《河流流量测验规范》的规范要求，而ADCP与旋杯测得的最大水深和最大流速均发生了较大的误差。
出现误差的原因分析：
田关水文站的流量测验，是根据测流大断面的宽度、河床地形等情况，将整个测流大断面平均布设了15根垂线（测点），无论什么时候进行流量测验，测得的最大水深和最大流速都是在这15根垂线（测点）上产生。而ADCP流量测验却不同，在1.2ADCP的应用原理中就介绍过，ADCP是将整个测流断面化分为多个子断面（即布设多条垂线或测点），在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到垂线（即子断面）的平均流速和流量，再将各个子断面的流量累计得到整个断面的流量。也就是说，产生这种误差的原因是因为在使用ADCP和在使用旋杯测验流量时，测得的最大水深和最大流速有可能根本就不在同一根垂线（测点）上。但是无论是ADCP测验流量，还是旋杯测验流量，它们的工作原理是一样的，所以平均流速、平均水深、总流量的误差却都是在规范要求范围内。
3.5.1 ADCP与浩口水文站老闸和新闸合成流量的比测
表1 ADCP在浩口水文站流量测验一览表
年份：2018年4月28日
浩口水文站流态率定线推流量成果
（1）4月28日09:54浩口（新闸）上，上游水位29.38m，下游水位29.09m，闸门启闭情况：开闸1孔，孔宽4m，开高1.30m，闸门未出水。△z=0.28m，hu=2.13m, hL=1.84m,堰顶高程27.25m，△z /hu=0.131,流态判别淹孔，相关因素△z /hu=0.131，流量系数1.30（根据流量历年综合率定线查得系数，鄂水文勘便字（2006）第003号批复）
流量计算公式： M2=Q/Be(hu)1/2
Q=1.30*4*1.30*1.46=9.89(m3/s)
（2）4月28日10:19浩口（老闸）上，上游水位29.38m，下游水位29.11m，闸门启闭情况：开闸1孔，孔宽4m，开高1.30m，闸门出水。△z=0.28m，hu=1.29m, hL=1.02m,堰顶高程28.09m，hL /hu=0.791,流态判别由堰，相关因素hu=1.29，流量系数1.42（根据流量历年综合率定线查得系数，鄂水文勘便字（2006）第003号批复）
流量计算公式： C1=Q/B(hu)3/2
Q=1.42*4*1.48=8.41(m3/s)
表2浩口水文站（新闸、老闸）流态率定线推流量、ADCP流量测验比测一览表
年份：2018年
流量比测成果分析：
测验数据见表2，ADCP在浩口水文站新闸上测验的流量与流态率定线推流量误差为0.81m3/s，ADCP在浩口水文站老闸上测验的流量与流态率定线推流量误差为1.02m3/s，ADCP测验流量与浩口老闸、新闸率定线推流量合成误差为1.00m3/s。研究表明，ADCP对于平原地区出现的这种类似于浩口水文站在低水位、低流速、低流量条件下的河道合成测验流量的检验同样具有非常高的精准度。
3.5.2 ADCP在东荆河倒虹管上游（入口）与下游（出口）流量测验分析
表3 ADCP东荆河倒虹管上下游流量测验比测表
年份：2018年
流量比测成果分析：
研究人员通过对东荆河倒虹管上下游分别进行的流量测验可以发现，它们的误差仅有0.2m3/s，相对误差（即上下游误差与上游的比值）1.87％。根据中华人民共和国水利行业标准SL-2006 《声学多普勒流量测验规范》4.2.16的第3条，最大偏差不大于5％的规定，本次低水流情况下的流量比对符合精度要求。
3.5.4关于常规流量测验的说明
在本次的研究中，主要选取的田关水文站、浩口水文站，均为国家基本水文站，具有代表性，因篇幅限制，只详细分析测验浩口水文站。为了能够详细地摸清ADCP的各项性能和指标的精准度，研究人员还在兴隆河等十多条河流进行了数次的常规测验，以此来分析和掌握ADCP的稳定性。由于这些测验没有可以参照比对的数据，故不对这些测验数据进行具体的分析，只在做其它分析的时候作为参考。
4 走航式 ADCP在平原地区低水流条件下的应用结论
研究人员通过对ADCP进行的长达半年之久的仔细摸索，发现ADCP在平原地区的低水流条件下，其性能非常稳定可靠，但是在使用ADCP的过程中仍有以下三点会影响测验的精度。
（1）在测流前，应尽可能在铁材料较多处对ADCP上下左右翻转进行罗经调校，以此消除地球磁场的干扰而提高测量精度。
（2）根据多次流量测验结果发现，水草在距离水面小于0.4m的区域，ADCP无法测量水流速，当水草距离水面小于0.2m情况下，则水深数据也无法测得。
（3）测流时，应尽可能使搭载ADCP的测船匀速行驶，且船速应小于流速。
通过这次对走航式ADCP在平原地区低水流条件下研究得出的各项数据，均能满足国标和行标的规定。不过在此次研究中发现的诸多问题还需要在以后的工作中继续加以研判和分析。总体来说，这次研究的结果是非常成功的，虽然有些比测数据和传统测验方法有一定的误差，但是经过研究人员的分析以及多年水文工作的经验均证实了矛盾存在的合理性。
目前ADCP在国内使用已经非常普及，特别是在平原地区的应用更加快速、精确、方便、实用，较好的解决了平原地区中小河流低水流条件的流量测验。为平原地区水资源的调查，水量的计算，更好的服务于水利，服务于社会提供了一个新的思路和途径。
参考文献：
[1]GB50179-2015,《河道流量测验规范》
[2]SL337-2006,《声学多普勒流量测验规范》
[3]SL443-2009,《水文缆道测验》
论文作者:杨爱华,余方鹰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/22
标签：流速论文; 流量论文; 测验论文; 断面论文; 误差论文; 水深论文; 垂线论文; 《基层建设》2019年第19期论文;