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浅谈走航式ADCP在水文测验工作中的应用

作者：段建龙 金治雄 张静

来源：《中国科技博览》2015年第28期

[摘 要]本文介绍ADCP测流原理及其实际应用，其在水文测验中表现出了精度高、效率高特点，标志着水文测验发展新方向。 [关键词]ADCP 水文 用途

中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0316-01 一、ADCP技术 1、ADCP概念及其分类

ADCP是一种利用声学多普勒原理测验水流速度剖面的仪器。 ADCP一般配备有四个换能器。换能器与ADCP轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。

ADCP根据安装部位可分为走航式ADCP、固定式ADCP和声学多普勒流量计（ADFM）3种；根据ADCP的声信号发射和处理方法，可分为窄带和宽带ADCP。. 2、走航式ADCP测流原理及特点 1）测流原理

ADCP利用声学多普勒效应进行测流。而且ADCP测速时基于两个假定，一个假定是反射声波信号产生多普勒频移的水中漂浮物或气泡是和水流等速运动的；另一个假定是假定在距仪器一定距离内波束相应测点处的流速大小方向是相同的，并且和断面上相应测点处的流速大小方向也是相同的。换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP所接收。悬浮物质随流而漂移，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：

其中Fd：声学多普勒频率，Fs：发射声波的频率，V：颗粒物沿声波方向的移动速度，C：声波在水中的传播速度。

从理论上讲，走航式ADCP流量测量原理与传统的人工船测或缆道测量等的基本原理一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速，计算得到垂线的

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平均流速。走航式ADCP实测的是断面中部区域内的流速，这个区域称为ADCP实测区。另有四个小区域：岸边部分、水面区域、厚度为ADCP换能器的入水深度加上ADCP的盲区。 2）特点分析

①优点：走航式ADCP的主要优点是测流速度快，机动性强。测船横跨断面就能完成流量测验，特别适用于大江大河、河口、洪水时的流量测验；流速和断面测量一次完成，并可得到完整的、详细的流速流向、水深、断面数据。

②缺点：虽然走航式ADCP是一种先进的河流流量测验系统，已得到推广应用。但它在一些河流上尚不应用，影响因素也有很多，有时测得的结果并不十分稳定。比如，受水文环境的限制，在含沙量较大、流速较大的地点，使用效果不好，受影响的程度与仪器性能有关；有推移质存在就要选用GPS定位系统代替河底跟踪系统；有盲区存在。 二、走航式ADCP在水文测验中的实际应用及误差分析 1、测记流速、测深，输出大断面图、流量测验成果表

ADCP 向水中发射固定频率的声波短脉冲，这些脉冲碰到水中的散射体（浮游生物，泥沙等）发生背散射，ADCP接受回波信号并处理得到流速。利用ADCP内的回声测深仪测得各预订垂线的水深。根据各流量测验规范的规定，ADCP在计算机上直接显示、记录断面流速分布和流量（见图1）。水面、河底及近岸测不到流速的盲区区域，将用经比测验证的经验系数来计算这些区域的流量值。流量成果如图2所示。 2、ADCP测验误差来源分析及控制 ①走航式ADCP测验误差

走航式流量测验误差主要有水流环境包括脉动或紊流、水面波浪、含沙量及河底推移质产生的误差、船速测量误差、仪器按照偏角产生的误差、流速测验误差、水深测量误差、水边距离测量误差、仪器入水深度测量误差等。

而测验误差可以通过合理设置配置信息来进行控制。单元尺寸越小，流速测量垂向分辨率越高，但流速测量精度越低，并且采用小尺寸单元会使得剖面深度变低，因此，当水体较深时，采用较大的深度单元，水较浅时，采用较小的深度单元；对于高含沙量的河段我们通常采用频率较低的ADCP，比如600Khz的ADCP其声波穿透能力强，对含沙率不敏感，能够减少高含沙量对流量测验精度的影响；如果河床有推移质在运动，我们也可以选用频率较低的ADCP，其低频声波有可能穿透推移质层，也可以选用GPS定位系统代替河底跟踪系统。 ②比测分析

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ADCP在投入使用前与LS25-1式流速仪资料进行对比分析，比测试验设在于桥水库电站出口处。

流量比测，ADCP测船分别以断面左岸、右岸为起始结束标志，测船由测流缆道沿断面均匀施测，按规范要求，ADCP以两个往返为一个测程，取4次流量平均值作为最终流量结果。LS25-1流速仪测法则根据大断面图，尽可能多的设置测深、测速垂线，采用五点法来算出断面流量。水深比测，因为该断面是一个标准断面，其底部比较平整光滑，基本无淤泥，所以将ADCP测得水深与断面水尺读数相比较。

比测结果显示，ADCP流量和水深误差都能控制在±5%以内，符合规范要求。 三、结语

ADCP测验技术已基本成熟，其在提高测验的精度、效率和安全性的同时，也大大降低了测验人员的劳动强度。？在我国也有不少成功应用的实例，比如海洋勘测、水库测量、海口测验、长江水文测验等等，其测验的高效性和极高的自动化程度得到了应用人员的好评。但我们也应该充分了解其特性，发挥其优势避开其不足，能让它更好的为我们服务。 参考文献：

[1]水文测验实用手册，朱晓原等.

[2]走航式ADCP在水文测量中的应用，宋元华. [3]声学多普勒流量测验规范，中华人民共和国水利部.