1、監(jiān)測技術聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)試驗觀測及應用初探何華權(崇左市水文水資源局，廣西崇左532200)摘要以崇左水文站ADCP試驗情況為例，介紹了ADCP的特點:在正常情況下測驗的效率較高.安全性比較可靠.但存在故障維修成本高、受含沙地影響比較明顯、易受水下外來電波干擾、推算實時流斌不穩(wěn)定等問題。提出了ADCP測驗工作中如何確保穩(wěn)定性、降低維護成本、提高效率的建議。關鍵詞ADCP；觀測試驗;纜道流速儀法；比測中圖分類號P335文獻標識碼B文章編號1003-1510(2013)04-0085-04收稿日期2013-05-02作者簡介何華權(I975-),男(壯族)，廣西扶綏人，崇左市水文水

2、資源局工程師，主要從事水文水資源管理工作。1ADCP試驗對比觀測情況崇左站于2009年4月安裝了ADCP在線測流系統(tǒng)，2009年5月開始運行，并與纜道流速儀法進行比測，其比測情況如下。1.1測站基本概況(1) 測驗河段情況。左江由水口河、平而河自越南入境后在龍州縣城匯合而成，左江迂回東去，至上金，右岸有大支流明江匯入,至多懷，左岸有大支流黑水河匯入。左江河床切割深,坡降大，水流較急。左江上游年平均雨量分布狀況，自西北部的1500mm逐漸向東南遞減至1200mmo降雨特點是山地雨量多于丘陵河谷地區(qū)，降雨年內分布很不均勻,65%的雨量集中在6-9月間。產(chǎn)生洪水的降雨天氣系統(tǒng)主要有低壓槽、低渦切變線

3、、地面靜止鋒以及臺風等。左江發(fā)生較大洪水主要由臺風造成，兩種天氣系統(tǒng)或兩個臺風先后影響，形成登加過程,就會釀成左江流域特大洪水。(2) 水文特征。龍州水文站于1991年設立，位于左江的崇左市河段，集水面積26823km為國家重要報汛水文站點，觀測項目有：水位、流量、降水拭、水溫、岸溫、蒸發(fā)、測沙、水質等。測驗斷面上游20km處有左江電廠，由于受左江電站大壩攔蓄排水影響，崇左水文站斷面流態(tài)變化較大，水位流量關系很不穩(wěn)定。高水出現(xiàn)反繩套、半繩套等，低水點子散亂，出現(xiàn)多條臨時線,增加了資料整編分析的難度和工作星。歷年最高水位108.50m(85基準，下同；1986年7月)、歷年最低水位82.85m(

4、1992年5月)，最近5年最高水位107.66m(2008年)、最低水位84.95m(2007年)。2定點式ADCP引進安裝調試情況2.1任務由來左江電站蓄水發(fā)電后崇左水文站處于水庫下游，上游電站的調節(jié)，嚴重影響了水文站的水文預報、水文測驗等正常工作，用傳統(tǒng)的流速儀法進行流量測驗無法滿足控制流量的變化要求，為此2009年4月，廣西水文水資源局在崇左水文站安裝了聲學多普勒流速儀(AcousticDopplerCurrentProfilers,簡稱ADCP),進行實時在線流量監(jiān)測。2.2儀器設備基本情況及工作原理聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)是國際上最先進的河流流量測驗設備之一，它測量時不受斷面

5、位置的影響，具有及時、準確、可長時間在線、無人值守、使用維護簡單等特點，特別適用于“水位-流量”關系不穩(wěn)定的斷面，如受上、下有水工建筑物影響、入?？诨爻焙佣蔚取＝辏谒臏y驗、水資源調查、水環(huán)境保護、航運以及抗洪搶險等行業(yè)和部門得到迅速而廣泛的運用。在測量時,ADCP的探頭向水體反射聲脈沖，當確定ADCP波長和幾何參數(shù)后，只要檢測出多普勒頻差，就可以確定運動速度。ADCP向水體發(fā)射聲脈沖，測出水體相對于ADCP的速度;ADCP同時還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖,測出ADCP相對于河底的運行速度，然后計算出水流相對F河底的l'值速度。2.3儀器安裝調試崇左水文站使用的ADCP是安裝在河岸左岸

6、水位臺井壁L儀器高程為85.95m,保證了儀器處于正常最低水位下1.0m左右；儀器到RS232通信接口的電纜長23m,換能器縱搖-0.34。£±0.5。，橫搖0.00±0.5°儀器聲束水平發(fā)射并垂直于斷面，水平剖面杜程達到9（）血.初次調試一切正常。截止到目前儀器運行正常。ADCP匚作橫斷面圖如圖1所示：圖1ADCPT作橫斷面圖該儀器數(shù)據(jù)的收集有兩種:一是通過在電腦上安裝“Q-Monitor-11（流裝通）”軟件，進行數(shù)據(jù)實時采集或顯示；二是通過在電腦上安裝“BBTalk”軟件進行內存卡讀取，該站ADCP收集數(shù)據(jù)為：PD0格式,單元范I札取25-55m,

7、單元數(shù)位100,單元長度：100cm,平均H寸間：5min,采樣間隔100s,盲區(qū):100cm03定點式ADCP流速關系率定情況3.1率定目的把ADCP在線測流真正用到實處，建立ADCP指標流速與流速儀實測流速的相關關系，用ACDP在線測流代替常規(guī)流速儀測流，改變流仙測驗方式.解放測站勞動力，提高水文科技含ht,提高丁.作效率.把水文流域測驗作推向新的臺階。3.2率定方法、誤差率定的方法有兩種：一是應用“定線通”軟件,把流速儀實測的流ht、水位及與其相對應的ADCP平均指標流速輸進軟件，標定出一系列回歸方程的相關常數(shù),然后進行分析選出最合適回歸方程并進行分析計算。二是借助“Office”辦公軟

8、件,進行一系列的分析計算，本次分析采用第-種方法進行率定。3.2.1分析及計算在ADCP收集到的數(shù)據(jù)中找出與流速儀實測相對應的相關數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行初步可靠性分析，比測數(shù)據(jù)選用rADCP回波強度比較好的25-55m單元范圍,進行了對比分析。通過用“定線通”進行初步計算分析,其中有5個突出點,原因：ADCP設備接受出現(xiàn)故障。另外，部洪水水位達到98.00m時，由于含沙量太大.無法測到指定單元范圍。相關示圖見圖2、圖3、圖4。b>0.0945V=b,Wb*bt-0.7996b,=-0.03520.61.01.41.8V.V,V4|V.V,VJV-V,V,V,IRe.ldvlDi.|Q*sH|

9、AvsH|圖2實測流速與指標流速關系圖圖3含沙量太大時的流量回波長度縱面圖2538516擊離,790lb3】、6】29|圖4受電波干擾的流速回波長度縱面圖在此用50份ADCP數(shù)據(jù),通過“定線通”進行率定，得出r6組回歸式的相關參數(shù)（表中“不確定度”為參考值，正確值應為兩倍標準差的數(shù)值），如表1:從表1可知“一元二次多項式”和“復合線性”回歸方程均可適用，但“復構性”回歸方程率定后的參數(shù)過于復雜，因此,選擇一元二次多項式的參數(shù)作為本次率定的結果，即Nm=0.0945+0.7996協(xié)-0.03526組回歸線式的相關參數(shù)定線公式相關系數(shù)系數(shù)岫偏差標準差線性10.9864616.334149.9137

10、0.03510.0605線性20.99741-1.843322.37000.00000.0307一元多次項式0.99774-0.671119.91250.00000.0288馨函數(shù)0.97705-1.713537.49020.02310.0880復合線性0.99782-0.679119.78190.00060.0282二元線性0.99761-1.247620.77970.00000.0296式中：Vm率定后的流速；Vi指標流速。3.2.2檢驗及誤差用流速儀實測流速即丫同儀及率定后的流速即Vm進行定相關曲線并檢驗及誤差計算(見圖5),從圖5可知它們的相關性很好。本次率定的Um與Vi的標準差為0.

11、0288,不確定度為0.0576,系統(tǒng)誤差為-0.671%,在SL3372006(聲學多普勒測驗規(guī)范中要求：當流速比測結果的相對系統(tǒng)誤差在±1%以內，且不確定度不超過±3成寸，流速比測合格。圖5流速儀實測流速與率定后的流速關系圖根據(jù)標定出來的K換算為Qm,并與實測流量Q歡儀進行三大檢驗分析,三大檢驗合格，說明經(jīng)過率定后換算得出的流量與流速儀實測流量之間的偏離、誤差等相關性在允許范圍內。本次比測成果符合河流流量測驗規(guī)范(GB5017993)X水文資料整編規(guī)范(SL2471999),聲學多普勒流量測驗規(guī)范SL337-2006,比測成果合格。3.2.3率定資料質量總體評定2011

12、-2012年間，流速儀與ADCP比測資料55份,其中經(jīng)過分析有5份由于ADCP儀器不水平、其他干擾等導致回波強度異常，資料失真，故不參與率定。在進行流速三種檢驗時，有11分比測資料因計算面積的誤差,導致點子偏離不參與檢驗。根據(jù)本次比測結果，該ADCP在線測流系統(tǒng)本次率定結果的使用范圍為:98.00m以下水位級，所收集到的數(shù)據(jù)是完全可靠的，完全滿足規(guī)范要求，可以參加資料整編。4存在的問題(1) 受含沙量影響比較明顯，當水位高于98.00m時，因水底含沙量較大，儀器只能發(fā)射到50m(如圖3),所以當水位在98.00m以上時，應升高儀器,考慮重新收集數(shù)據(jù)進行分析率定。(2) 儀器容易受到電魚船等電波

13、的干擾，回波強度的紅綠線不一致,使所收集的資料失真(見圖4)。(3) ADCP所測得的流速比較準確，但是在系統(tǒng)推算實時流量時存在不穩(wěn)定性，特別是洪水時，因為系統(tǒng)是通過儀器本身自帶的超聲波水位器得到水位來推算面積的，而該水位器容易受到雜物的覆蓋而影響水位變化，使實時流量不真實(目前，崇左市水文局已經(jīng)購買水位分路器，解決了此問題)。(4) 分析計算誤差。分析資料時，在考慮回波強度紅綠線的一致性方面，由于視覺的影響而產(chǎn)生誤差;決定單元范圍的截取及是否剔除某些突出指標流速時,因可變更性比較大而產(chǎn)生誤差等。(5) 設備及線路安裝協(xié)調要求精細，水位臺與值班室距離較遠，線路易受外界影響。(6) 受雷電及供電

14、不正常等因素影響，容易出故障，零配件損壞維修費用大。5結語水文測驗現(xiàn)代化建設不僅要做好設施設備的更新改造，配備先進的儀器，而且必須做好分析研究，提高管理人員的實際應用技能,充分體現(xiàn)現(xiàn)代化儀器的作用。(1) 加強對ADCP的應用技巧研究與二次開發(fā)的方向和重點的探索。(2) 加強各種儀器設備測驗效果對比資料的分析，及時發(fā)現(xiàn)存在問題，認真會商解決。(3) 加強管理人員培訓，重點做好儀器設備的應用與維護培訓,為實際推廣應用提供基礎保證。(4) 加強對水位、含沙量出現(xiàn)特殊情況下測驗效果變化規(guī)律的分析研究.提高測驗數(shù)據(jù)的精度。(5) 加強儀器設備使用的安全保障，做好管線設施保護以及防雷、防震、防干擾等基礎

15、工作。(責任編輯：劉征湛)ObservationtestandapplicationofADCPHEHua-quan(HydrologyandWaterResourcesBureauofChongzuoCity,Chongzuo532200,China)Abstract：TakingADCPtestsconductedatChongzuohydrologicalstationasexample,anintnxluctionwasmadeonthecharacteristicsofADCP,includingrelativelyhighefficiencyundernormalcondition

16、s,safetyandreliability,highrepairingcost,significantlyinfluencedbysedimentconcentration,liabletobeinterferedbyunderwaterforeignradiowave,unstableincalculatingreal-timecurrent.Suggestionswereputforwardtoensurestability,reducemaintenancecostandimproveefficiency.Keywords：AcousticDopplerCurrentProfiler(

17、ADCP);observationtest;cablewayvelocityinstrumentmethod;comparativemeasurement(上接第84頁)DiscussiononnewtechnologyofhydrologicalstationbenchmarkelevationsurveybasedonCORSsystemWENRun-feng(GuangxiHydrologyandWaterKesourcesBureau,Nanning530023,China)Abstract：Anintroductionwasmadeontheheightanomaly,solutionprincipleandCORSsystemtechnologyofCPSmeasurement.ItisproposedtoapplyGPSreceiverbasedonCORSsystemtomeasuregeodeticheight,acquirenormalheightbyregionalquasi-geoidrefinedmodelcorrection.Combinedwiththe