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ADCP技術(shù)在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用

文檔作者：王槐軍文檔來源：伊犁水文勘測局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年03月04日
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2017年第8期(總第143期)
缸濠與芋釷
ENERGY AND ENERGY CONSERVATION 2017年8月
ADCP技術(shù)在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用
王槐軍
(伊犁水文勘測局，新疆伊寧835000)
摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，聲學(xué)多普勒流速剖面儀被廣泛引入水體流量測驗(yàn)中。對(duì)聲學(xué)多普勒流速剖面儀進(jìn)
行了概述，分析了聲學(xué)多普勒流速剖面儀在水文測驗(yàn)中的優(yōu)勢，探討了其在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用，總結(jié)了聲學(xué)多普勒流速
剖面儀使用時(shí)的注意事項(xiàng)，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞： 聲學(xué)多普勒流速剖面儀；水文測驗(yàn)；應(yīng)用；研究
中圖分類號(hào)： P332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095一0802一f2017)08-0165—02
AppHcation of ADCP Technology in Hydrolo西cal Test
WANG Hua．iun
(¨i Hydrographjc and V＼，ater ResourCes Sun，ey Bureau，Yining 835000，Xinjiang，China)
Abs打act： With the continuous development of science and techn0109y，acoustic doppler cun．ent p110filer(ADCP)is widely inn_0一
duced in water now test．This paper pmvided an ovenriew of ADCP，analyzed its advantages in hydrolo舀cal test，discussed its
application in hydrology test，summed up the notes of its use，and prospected the application of ADCP．
Key words： acoustic doppler current profiler；hydmlo舀cal test；application；research
0引言
ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler，聲學(xué)多
普勒流速剖面儀)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一
種測流設(shè)備。聲波換能器是其傳感器，發(fā)射的脈沖波
通過在水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等，
換能器接收反射信號(hào)，經(jīng)測定多普勒頻率而測算出流
速。ADCP有能直接測斷面流速剖面、不擾動(dòng)流場、測
驗(yàn)歷時(shí)短、測速范圍大等特點(diǎn)。目前，在河口、海洋
的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測驗(yàn)等方面加以應(yīng)用。
1 ADCP概述
聲學(xué)多普勒流速剖面儀的發(fā)明被認(rèn)為是河流測量
領(lǐng)域的一次革命，于20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來，其
應(yīng)用為水文測驗(yàn)提供了技術(shù)支持，從而可獲得較為豐
富的河流、湖?白資料。中國的第一部ADCP于20世紀(jì)
末引進(jìn)，作為一種全新的流量測驗(yàn)方法，在中國的水
文測量中得到了廣泛引進(jìn)和使用，具有強(qiáng)大的綜合功
能，再結(jié)合傳統(tǒng)水文測驗(yàn)工作中不斷的實(shí)踐開發(fā)，使
得ADCP的許多測驗(yàn)優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)出來。
1．1基本原理
聲源與接受物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起多普勒頻移，
而垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)則不會(huì)引起。移動(dòng)物體反射的
聲波也會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。ADcP換能器發(fā)射的聲波具
有固定頻率，流動(dòng)水體中的顆粒物對(duì)其反射后，就會(huì)
有多普勒頻移產(chǎn)生。ADcP利用聲學(xué)多普勒原理對(duì)水流
速度剖面加以測量，觀察聲波頻率所發(fā)生的改變。
收稿日期：2017—04—26
作者簡介：王槐軍，1983年生，男，四川綿陽人，2013年畢業(yè)于華
北水利水電大學(xué)水利水電工程專業(yè)，助理工程師。
ADcP發(fā)射固定頻率的聲波，然后基于被水中固定散射
物散射回來的聲波，經(jīng)相應(yīng)處理得到測量結(jié)果。一定范
圍內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)流速和平均流速都可被ADcP測出。
1．2 ADCP的類型
ADcP目前使用中，按照習(xí)慣以安裝方式和工作特
點(diǎn)分為走航式ADCP和固定式ADcP。
a)走航式ADCP。將ADCP安裝在測量船(大江、
大河上居多)，或其它運(yùn)動(dòng)載體上，如小型的三角帆船，
靠人工或臨時(shí)牽引索道在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行測驗(yàn)(平穩(wěn)
的小型河流、渠道居多)。在每個(gè)流速測量中，ADCP
先發(fā)射1個(gè)單獨(dú)相對(duì)較長的脈沖波，然后接受水體中顆
粒物對(duì)這個(gè)脈沖的反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之
間的頻率改變，即多普勒頻移，用來計(jì)算水體的速度；
b)固定式ADCP。將ADCP安裝在測流斷面水中某
一固定位置，且固定式ADCP在工作中處于靜止?fàn)顟B(tài)，
其本質(zhì)上是測量河流斷面上某處局部流速(指標(biāo)流速)，
然后建立斷面平均流速與指標(biāo)流速之間的相關(guān)關(guān)系，
因此指標(biāo)流速法的本質(zhì)是由局部流速推算總體流速，
在建立二元(指標(biāo)流速、水位)線性回歸方程，得到回
歸方程以后，就可用于流量的在線監(jiān)測(平穩(wěn)的小型河
流、渠道等水工建筑上居多)。
2 ADCP在水文測驗(yàn)中的優(yōu)勢
ADcP因其優(yōu)勢在水利行業(yè)被廣泛應(yīng)用。ADcP具
有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。
2．1動(dòng)態(tài)測量方法
傳統(tǒng)流速儀法是靜態(tài)方法，流速儀固定，要求測流
斷面垂直于河岸。走航式ADCP方法是動(dòng)態(tài)方法。ADCP
在隨測量船運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行測驗(yàn)，不要求測流斷面垂
直于河岸。測船航行的軌跡可以是曲線或斜線。ADcP
·165·
萬方數(shù)據(jù)
2017年第8期鈺；夏與芊釷2017年8月
所測得垂線、子斷面可以很多，每條垂線上測點(diǎn)也很
多，其測流垂線的密度較傳統(tǒng)水文纜道測驗(yàn)高，經(jīng)與
傳統(tǒng)水文纜道測驗(yàn)比測后，可完全代替水文纜道測流，
大大縮短了測流時(shí)間，減輕了測驗(yàn)人員工作強(qiáng)度，并
能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測，對(duì)重要水情的預(yù)報(bào)和監(jiān)測、快速反
應(yīng)等有著重大意義。
2．2可配多種工作模式
中國的水流條件具有多樣性，為了加以應(yīng)對(duì)，
ADCP儀器可配置多種模式。除了有適用于大多數(shù)水文
測量環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)模式外，還有其他模式，可用于不同
水文情況的測量。因?yàn)橛卸喾N配置模式，在不同水文
環(huán)境下也可保持自身受動(dòng)流場不擾、測驗(yàn)時(shí)間短、測
速范圍大等，這就需要在使用ADcP時(shí)做足前期對(duì)比
分析測驗(yàn)工作，得出適合本地區(qū)河流特性的測驗(yàn)參數(shù)
的設(shè)置，拓展ADCP儀器的使用范圍，這對(duì)實(shí)現(xiàn)水文
巡測十分重要，因?yàn)锳DCP測驗(yàn)投資少、精度高、機(jī)動(dòng)
性強(qiáng)、人員配備少，是水文巡測的首選方案。
2．3合理零盲區(qū)專利技術(shù)
零盲區(qū)專利技術(shù)的應(yīng)用，使中國北方河流使用ADcP
監(jiān)測河道流量成為現(xiàn)實(shí)。零盲區(qū)技術(shù)在1 200 kHz ADCP
的應(yīng)用，可測量淺水深的河流和湖泊，測量精度得以
提高，減小了尺寸、重量、盲區(qū)【“。面對(duì)水文行業(yè)的不
斷發(fā)展，監(jiān)測任務(wù)的不斷增多，在引進(jìn)先進(jìn)儀器、先
進(jìn)測驗(yàn)技術(shù)的同時(shí)，能極大減少駐測測驗(yàn)人員的配備，
可解放相當(dāng)?shù)膭趧?dòng)力投入到水文工作其他領(lǐng)域中，以
適應(yīng)當(dāng)前水文工作人員少、任務(wù)重的瓶頸問題。
3 ADCP在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用
ADCP的安裝應(yīng)用方式：a)于固定平臺(tái)安裝。如河
岸邊或河底，進(jìn)行定點(diǎn)的流速剖面測量；b)于活動(dòng)的
平臺(tái)安裝。如測量船上，進(jìn)行航行方向垂線流速剖面
測量。水流相對(duì)于ADcP的速度可通過跟蹤水體顆粒物
的運(yùn)動(dòng)速度得出。固定平臺(tái)的ADCP，水跟蹤測量的流
速即為水流絕對(duì)速度。移動(dòng)平臺(tái)上ADCP用水跟蹤測量
的相對(duì)速度減去平臺(tái)移動(dòng)速度得到水流的絕對(duì)速度。
3．1流量測量
將整個(gè)測流斷面分為許多子斷面，在每個(gè)子斷面
垂線處測量水深并測量多點(diǎn)流速從而得到子斷面的平
均流速。ADCP一般有4個(gè)換能器，與ADCP軸線成一
定夾角。換能器是發(fā)射器的同時(shí)也是接收器，發(fā)射具
有固定頻率的聲波，然后聆聽散射回來的聲波。假定
顆粒物速度等于水體流速。顆粒物接近換能器時(shí)，回
波頻率高于發(fā)射波頻率。顆粒物背離換能器時(shí)，回波
頻率低于發(fā)射波頻率。
計(jì)算流量需測量以下數(shù)據(jù)：a)相當(dāng)于船速度的水
的相對(duì)速度，水跟蹤測出；b)船速。由底跟蹤或GPS
(全球定位系統(tǒng))得出；c)基于河底回波強(qiáng)度測出水
深；d)由船速和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)或由GPs算出船的航行軌跡。
3．2泥沙含量測量
ADCP定時(shí)向水體發(fā)射聲脈沖，換能器檢測到反射
·166·
信號(hào)?；夭◤?qiáng)度綜合表現(xiàn)了水體中聲波傳播過程中的
衰減及水體反射粒子質(zhì)量。通過對(duì)回波強(qiáng)度與含沙量
關(guān)系的建立，便可計(jì)算水體含沙量。
3．3流態(tài)測量
ADCP測流技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)斷面流態(tài)及空間流場
的觀測，測出流速矢量的東向、北向和垂向分量，進(jìn)而
提供連續(xù)的垂直剖面資料，所提供的斷面流場空間分
布及三維流態(tài)數(shù)據(jù)精確度高、過程快。ADcP不僅能提
供流量數(shù)據(jù)，利用ADcP的測量原理和其專用的軟件，
河道斷面水下部分的水深和不同水深所對(duì)應(yīng)的流速，
及在河流人河口或支流匯入等水流方向的夾角等方面
都能很直觀地顯現(xiàn)出來，可對(duì)河流的河道演變、沖淤
變化等研究提供準(zhǔn)確依據(jù)。
3．4水深測量
聲波脈沖發(fā)射到某一水體后，其傳播速度基本不
變，而水體深度不同，則聲波脈沖返回時(shí)間不等，根據(jù)
這個(gè)時(shí)間差，深度便得以確定。
4 ADCP使用時(shí)的注意事項(xiàng)及改進(jìn)
ADcP在實(shí)際運(yùn)用過程中有其缺陷。如：因聲波受
含沙量、船體等影響較大，使得ADCP的使用受到制
約；難以把握最大流速數(shù)據(jù)的選取等。下面對(duì)ADCP使
用時(shí)的注意事項(xiàng)及其改進(jìn)策略加以探討。
4．1使用的注意事項(xiàng)
a1安裝。必須按照技術(shù)安裝說明進(jìn)行合理安裝，
不能隨意改變位置；b)估測水文環(huán)境中的干擾，ADCP
的測量模式要根據(jù)具體水文環(huán)境進(jìn)行更改。在使用
ADCP進(jìn)行水文測量時(shí)，要特別注意各種因素，如河床
走沙等對(duì)測量精度的影響。為減小河床泥沙運(yùn)動(dòng)速度
干擾帶來的錯(cuò)誤，在測量前應(yīng)由技術(shù)人員進(jìn)行估測。
根據(jù)水文環(huán)境更改測量模式，以減少和避免高含沙量
對(duì)數(shù)據(jù)接收的影響【2】。
4．2 ADCP使用的改進(jìn)策略
a)抽取多種數(shù)據(jù)。ADCP獲得的數(shù)據(jù)雖然比較準(zhǔn)
確，但在實(shí)際應(yīng)用中，在不同條件的影響及限定下，測
量中會(huì)有誤差因子的出現(xiàn)。為進(jìn)一步提高測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)
確度，減少誤差因子的干擾，應(yīng)抽取多種數(shù)據(jù)。在符合
水文測驗(yàn)的要求下，基于平均計(jì)算的原則對(duì)ADCP實(shí)測
最大流速進(jìn)行確定；b)結(jié)合傳統(tǒng)水文測量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
ADCP有其應(yīng)用的局限性，更多集中于工程測量方面，
且有較多的誤差。可用ADCP結(jié)合傳統(tǒng)測驗(yàn)方式，盡量
消除誤差影響，獲取更精確的水文流速【3】。
5 ADCP在水文測驗(yàn)的應(yīng)用前景
ADCP因其測驗(yàn)歷時(shí)短、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)獲取量大
等優(yōu)點(diǎn)，使得勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度減小，工作效率得以提
高，推進(jìn)了水文測驗(yàn)的現(xiàn)代化水平。ADcP的測驗(yàn)具有
高效性，自動(dòng)化程度極高，在國外已得到廣泛應(yīng)用，在
中國也已有不少成功應(yīng)用。ADCP技術(shù)的不斷發(fā)展為其
在水文測驗(yàn)的使用提供保障。為適應(yīng)現(xiàn)代化水文建設(shè)
(下轉(zhuǎn)179頁)
萬方數(shù)據(jù)
2017年第8期劉春波：電氣自動(dòng)化數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用探究2017年8月
臀荽鑾金毒j紊鑒襲堡臻0簍妻翟簍老共享的目標(biāo)， 數(shù)字技術(shù)在電力電氣自動(dòng)化中進(jìn)行有效地應(yīng)用， 從酵蘭罌拿夏竺?竺展電氣自動(dòng)化。不但靠；器磊_主磊茹瓣拿躲淼鬣貓茹
3數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新完蕃，雀匿力毛氣百勃花蚤南石童化磊機(jī)薇花，‘雙而
黑sE。宴妻i絮黧三，孽徽愁量信息吲蕓茲髫蘭鬟k中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用與酬n中
磐乙皇堡箋三姿旦氅壁二方便、簡單又準(zhǔn)確。?。蚤新囊萊磊未，嘉澡i占?！癙“1“?！啊啊?u^。3．2．些彗譬挈蓼堂紫塑接婪跫。。．、．。。??．[6]曩巢轟．≤；≤X差三置≤；自動(dòng)化中的應(yīng)用與創(chuàng)新[J]講隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在快速發(fā)展，近。。技親訊，20i4；34{：i． 一?！?‘一?。
·179·

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