对ADCP能否满足黄河水文测验要求的浅识

刘建华

【摘要】 通过阐述ADCP的基本原理和应用方式，说明采用ADCP进行水文测验具有高频、高效的特点，其成果精度高可靠度高。随着治黄工作对水文测验要求的提高，推广ADCP在黄河水文测验中的应用在技术和规范方面存在着局限性。建议尽快制定相关规范规定，推动水文现代化进程。

【关键词】 水文测验；黄河；ADCP；应用

由于ADCP是声学仪器，测量成果受河流含沙量的影响很大，一般认为适用于含沙量不大于10kg/m3的河流测验。所以ADCP为黄河水文测验要求的高频次低水测验提供了技术支持。
虽然ADCP具有提高测量精度、缩短测量历时、实现高频次测量等优良特性，但是由于受自身的技术限制，以及黄河河道宽浅、含沙量较高等特性的制约，加之ADCP在我国应用时间短，尚未有相应的操作规程、规定出台，都限制了ADCP在黄河水文测验中的应用。如何更好地补充、完善水文测验仪器技术标准，促进ADCP在黄河水文测验工作中的应用，就成为当前急待解决的重要问题。

1.黄河水文测验现状

水文是水利工作的基础，是防汛、抗旱的耳目和尖兵，水文测报在黄河治理开发和管理中占有极其重要的地位。黄河流域开始采用现代技术进行水文观测，并于1915年、1919年分别在黄河支流、干流设立水文站，开展多种水文要素的观测，最初黄河观测项目只有水位和降水，以后观测站点和项目逐渐增加，目前为止，全河已形成比较完整的站网体系，流域共布设有451个基本水文站，62处水位站，2357处雨量站，并于上世纪70年代开始开展水质污染监测，全流域水质监测断面300多个。
水文测报项目主要包括：雨量采集、水位观测、流量测验、泥沙测验、冰期测验和水质测验等等，目前黄委辖区对水文要素的测验大多采用已沿用了几十年之久的传统仪器设备和方法。如水位观测以直立式水尺为主、流量测验主要依靠测船和过河缆道用流速面积法求得、流速测量主要采用流速仪、水深测量采用测深杆、含沙量采用横式采样器取样、普通天平称重计算等。资料处理大部分仍以人工录入、校对、绘图等，存在作业效率低、安全度小、误差大等缺陷。这些延用多年的水文测验模式及水文测验设施设备，在一定时期促进了水文事业的发展，但随着电子计算机、自动化等技术的发展和成熟，要适应现代治黄对水文的高标准、高精度、高效率的要求，必须加快水文测验新技术、新仪器的推广和应用。

2.ADCP的性能

ADCP是英文Acoustic Doppler Current Profilers的简称，是利用声学多普勒原理进行研制的，是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备，自1981年在美国诞生以来，随着技术的不断进步和日益完善，已从海洋测量逐步应用于河流流量测量，测量精度也得到很大的提高，已从最初的盲区1米以上，降低到所谓的“零盲区”，剖面单元缩小到目前的0.05~0.25米，使其在宽浅河流上的应用成为可能。

2.1 ADCP的基本原理

ADCP即声学多普勒流速剖面仪，它从根本上摆脱了原来机械式仪器的测验原理，并且测验成果可以联机存储，提高了测验的速度和精度，也大大提高了水文测验工作的技术含量和现代化水平。
ADCP配有四个换能器（见图1），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。换能器发射的声波能集中于较窄的范围内也称为声束（类似于探照灯发出的光束）。换能器发射固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向是接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：

FD=2F （1-1）

式中：FD为声学多普勒频移；F为发射声波频率；V为颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）；C为声波在水中的传播速度。2为系数，由于ADCP既是发射声波又是接收回波，因此多普勒频移加倍（Gordon，1996）。

图1 ADCP照片（略）

ADCP每个换能器轴线即为一个声束坐标，每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。任意三个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标。此外，ADCP自身定义有直角坐标系（局部坐标系）：X-Y-Z。Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一声束坐标的流速分量，然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系（取决于声束角），将声束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速，再利用罗盘和倾斜仪提供的方向、倾斜数据将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。
假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，ADCP通过跟踪颗粒物的运动（称为水跟踪）所测量的速度是水流相对于ADCP安装平台的速度。若ADCP的安装平台是固定的，“水跟踪”测量的流速即为水流的绝对速度；若ADCP的安装平台是移动的，在“水跟踪”测量的相对速度中扣除移动平台的移动速度后即得到水流的绝对速度。有两种方法可以测量移动平台的速度：一是“底跟踪”，是指ADCP通过接收和处理由河底的回波信号跟踪河底的运动，如果河底没有移动的推移质，“底跟踪”所测量的速度就是船速；二是利用GPS测量移动平台的速度，由航迹上任意两点的GPS坐标值可以得到两点间的位移，再除以相应的时间步长即得到移动平台的速度。
从理论上讲，ADCP流量测量原理与传统的转子式流速仪法相同（人工船测、桥测、缆道、涉水），是将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量。再将各子断面的流量叠加得到整个断面的流量。但不同之处是：①传统的转子式流速仪法是静态方法，流速仪是固定的。ADCP是动态方法，可在随测船运动的过程中进行测量；②由于用传统的转子式流速仪法采样费时，通常不会将子断面划分的很细，垂线流速的测量点也不可能很多。而ADCP由于采样速率很高，可以将子断面划分的很细（可称为微断面），垂线流速测量点也可以很多，相当于多台流速仪同时测量；③传统的转子式流速仪法要求测流断面垂直于河岸，ADCP方法无此项要求，测船的航迹可以是斜线或曲线。

2.2 ADCP的应用方式

ADCP在进行断面流量测验过程中，其实际测量的区域为断面的中部区域，这个区域称为ADCP实测区（见图2）。在以下四个边缘区域内ADCP不能提供测量数据或有效测量数据：第一个区域，靠近水面（表层），其厚度大约为ADCP换能器入水深度、ADCP盲区以及单元尺寸一半之和；第二个区域，靠近河底（底层），称为“旁瓣”区（河底对声束的干扰区），其厚度取决于ADCP声束角（即换能器与ADCP轴线的夹角），例如对于声束为20度的ADCP，相应的“旁瓣”区厚度大约为水深的6%；第三和第四区域为靠近两侧河岸的区域，因其水深较浅，测船不能靠近或ADCP不能保证在该垂线上至少有一个或两个有效测量单元。上述四个区域通常称为非实测区，其流速和流量需要通过实测区数据外延来估算。

图2 ADCP实测区、非实测区、微断面及单元示意图（略）

将ADCP与计算机连接，用相应的软件处理测量数据，经计算得到测量流量，构成声学多普勒河流流量测量系统，包括罗盘、倾斜计、河底跟踪、电源四部分。
ADCP安装在特制的三体船上，横越测流断面（从断面一岸移向另一岸）时利用超声波不断测量水深，同时利用多普勒测速原理测得水体相对于测船的流速和测船相对于河床的运动速度(即船速)，根据两速度的矢量差得到水流的真实流速。测船的航迹通过船速和航向计算而得，通过以上步骤可以确定所测垂线的正确位置。流速、船速、水深、航向、垂线位置数据由计算机在系统软件的控制下采集处理，并按一定的流量计算方法算出流量。
在应用ADCP进行流速流量测量时，为了取得最佳测量结果，应针对不同测验河段、测验断面的具体情况，首先进行ADCP配置，正确设置仪器参数。
当前，我国在引进水文测验新仪器、新技术的时候，一般需要与国标规定方法进行大量比测，经技术鉴定后确定引进和推广。而国际上采用的是制定国际通用的新标准来规范新技术。由于在引进新技术的同时，新的技术标准还没有出台，使相应的新技术应用难以得到快速推广，客观上制约了新技术转化为生产力。因此，借鉴国际上推广新技术的经验和方法，在重视和引进新技术的同时，应及时引进或编制相关标准，为新技术的应用和发展建立完善的保障制度。

3.ADCP在黄河水文测验的应用前景分析

3.1 ADCP在黄河水文测验应用的优势

ADCP作为当今世界上最先进的测验设备，在国外已经得到广泛的应用，在我国已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。目前随着ADCP技术的发展，测验单元、测验盲区不断减小，为在黄河上使用提供了可靠的保障。随着黄河水量调度工作对水文监测越来越高的要求，以及水文现代化建设本身的需要，探索新的测量方法，提高测量精度，缩短测量历时，实现高频次测量，已成为目前急需解决的问题，ADCP的应用能够实现流量的在线监测，掌握和了解流量的动态变化，为水资源配置、水环境保护和防汛抗旱提供实时流量信息，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。

3.2 ADCP在黄河水文测验应用的局限性

第一， 采用ADCP测验与《河流流量测验规范》以及《水文资料整编规范》的协调问题。ADCP测验速度快、效率高，一般情况下要以来回两次测量的平均值作为最后的测量成果，由于两次测量的线路不一定相同，并且不一定在要求的测验断面上，这就给要求严格的测验资料的统计带来了麻烦。例如过水断面面积、水面宽、最大水深和最大流速等水文要素如何表示，需要克服ADCP的测验成果与传统测验成果的衔接问题。

第二，ADCP是声学测验设备，较多的泥沙颗粒将会削弱仪器声波的发射和接收，所以测量成果受河流含沙量的影响很大，国外有关专家建议该仪器使用的条件为含沙量不大于10kg/m3。这就限定了ADCP在黄河上使用也只能是在含沙量小的情况下，即可以使用于非汛期的黄河以及低沙支流的水文测验中。

第三，ADCP进入我国尚未经过仪器设备的严格检测和技术部门的技术认定，仪器的使用范围、测量成果精度和可靠性缺乏保障，给使用测量成果带来了不便之处。按照目前国内对新仪器的应用推广要求看，由于国内没有完整的技术指标，制约了该仪器在常规流速测量和流量测验中的推广使用，更遏制了该技术在国内进一步的提高、完善和发展。

4.小结

ADCP的原理及应用方式具有的优势，与当前治黄工作对水文测验提出的高频、在线、实时的要求相适应，具有广泛的应用前景，积极推广在黄河水文测验中的应用也是十分必要和紧迫的。但是由于主观和客观两方面的局限性，其推广应用还需要开展大量的工作。建议尽快制定ADCP的使用条件、编制使用规范，为ADCP在黄河水文测验中的推广应用提供保障，为维持黄河健康生命奠定水文测验基础。

参考文献

[1] 姜永富.水文技术标准编制工作中存在的问题及建议.水文，2000年第六期

[2] 姚永熙.水文仪器与水利水文自动化.南京：河海大学出版社，2001年8月

[3] 田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用.黄河水利出版社2003年12月

来源于《中国水利水电市场》2006年2期)