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【摘 要】 ADCP是一种利用声学多普勒理论研制，可用于实时测量河流流速、流量的设备。其诞生于1981的美国，随着技术日益完善、不断进步，由原来测量海洋逐渐延伸至河流的流量测量，有利于提高测量精度。
【关键词】 中小河流；水文测验；ADCP
1、工作原理与测量方式
ADCP利用声脉冲波、声波换能器，展开河流流速流量的测量装置，ADCP测量河流的流速时，将声波换能器置于水下，通过其发射一定数据的频率声脉冲波导水体，声脉冲波通过水体颗粒进行移动，水体颗粒物不断被声波换能器吸收，不同位置均可反射出声脉冲，对不同频率之间频率差值进行计算，从而确定河流水体流速。因ADCP通常配置4个声波换能器，在测量水体流速过程中，可对流速进行实时、动态的测量。由于声波换能器的数量较多，可从不同角度发射出声脉冲，为河流流速提供多组的测量数值，有利于提高数据测量的精度。利用声脉冲的测量方式，ADCP可测量水体流速，同时可测量断面流速剖面，利用声波换能器发射、接收声脉冲，可使测量数据的稳定性、精确性得以明显提高，ADCP可短时间内实现大范围流速测量。目前，针对水体流速测量，ADCP主要包含定点式、走航式两种测量方式，定点式测量是在水流固定点上安装ADCP，例如水面桥墩，利用ADCP测量水体，因仪器在固定一点上测量数值，所以，测定水体所得数值为真实值，可直接应用于数据处理。而走航式测量将ADCP安装于船体水下部分，通过船体移动检测水体，因ADCP在移动状态下测量数据，所以测定数据是一种以船体作为参照物的相对测定值。假设水体流速与水体颗粒物的运动速度相同，ADCP对颗粒物运动进行水跟踪，获得速度与ADCP速度相对。如果ADCP平台安装固定，水跟踪所得流速就是水流绝对速度。若ADCP为移动安装，水跟踪所得相对速度扣除平台移动速度，即可获得水流绝对速度。
2、ADCP在水文监测中的应用
针对水文监测而言，ADCP可准确测定水流流速、水流截面流速，可估算测定岸边的水体流速。首先，中小河流的水文测验目的、特点。通常而言的中小河流主要指与人们生活相关水体、日常生活河流与湖泊。可以说，中小河流发生的水文运动，对人们日常生活具有十分重要的影响。对中小河流进行水体治理、水文测样，可有效促进农业发展，为防洪抗旱提供重要保障。中小河流的水体灵活性特点，水体极易收到外界影响，引起水体水质、水流速、水流量变化，进一步影响了周边居民生活、农业发展。所以，对中小河流进行水文测验，可有利于掌握水体变化规律，有利于在水体发生变化前，做好相应的预防工作，降低周边环境受水体变化的影响。因中小河流的灵活性特点，水文测验中小河流时，测量极易受到水体运动影响，在水文测验中需尤其注意。其次，中小河流中的ADCP水文测验。对中小河流展开水文测验时，首先ADCP发射固定频率数值的声脉冲到水体，声脉冲通过与水体悬浮物发生碰撞，接着ADCP接收反射波，对声脉冲原频率与反射波频率的差值进行计算，利用ADCP方程式计算，获得水体流速。实际水文测验工作，许多因素均会干扰声脉冲频率，引起反射声脉冲频率发生波动，引起测定水流流速出现失真。测定中小河流流量时，因水文运动导致水体变化，对ADCP测定水流流量造成影响。在测定流量时，水体杂质影响了声脉冲反射频率，同时在杂质表层会有一层粘性物质，声脉冲接触杂质时，不能完成脉冲反射，影响测定水流流量。测定流量时，因ADCP的频率范围较为固定，只可反射出范围固定的声脉冲，所以对于剧烈运动水体，在声脉冲发射过程中，由于水体内的脉冲反射物质增加，对声脉冲反射频率造成影响。
3、ADCP的误差控制
和常规流速仪一样ADCP流量测验遵循“流速―面积法”，因此ADCP流量的误差主要由水深、剖面宽度、流速等方面的误差造成。
（1）水深测量误差。从ADCP与流速仪比测成果可以知道，ADCP最大水深与流速仪最大水深相对误差为-4.5%。ADCP是根据回波强度沿深度曲线在河底处突起的峰值来识别河底的。高含沙量高速水流河床表层产生运动浮泥，当声波遇到这层浮泥时，回波强度突然增强，认为是河底了，此时所测的水深比实际的水深偏小。此外，高含沙水流使声波能量的反射和吸收都增强，在离换能器较近的区域，回波强度增大；但在离换能器较远的区域，回波强度很快衰减至本底噪音，这使得ADCP剖面深度（或范围）减小。高含沙水流使得ADCP水深测量误差增大甚至失效。
（2）河床“动底”造成流速测验误差。ADCP对流速流向测量的最终结果是由测船速度矢量和水层速度矢量的合成矢量与测船航行的速度矢量之差而得。测船的速度由底跟踪求得，即通过流量船与河底的相对运动，由ADCP内部罗经测算出测船的速度矢量。河底稳定不动时，用底跟踪方式测定船速是可行的。当河底泥沙在高流速时随水流迁移形成“动底”时，ADCP所测得的测船航行速度偏大，因而所测得的水层流速将小于实际流速，流向也将产生偏差，ADCP所测流量将小于实际流量。当流速越大河底床沙运动速度也越大，所测流速小于实际流速的误差也就越大，因此随着流量的增大ADCP与流速仪的相对误差也随之增大。上游干支流不同来水、来沙对断面的流态、“动底”造成不同的影响，造成ADCP流量的误差也各不相同。
（3）ADCP内置罗经磁偏角引起剖面宽的误差。根据ADCP测流原理，ADCP底跟踪方式测流时，ADCP磁偏角只对流向及航向有影响，对流量测验结果没有影响，这是在一次测流过程中假设磁偏角不变的结果。ADCP内置磁罗经容易受外部磁环境的影响而产生磁偏角。
ADCP测量产生误差的主要原因是河床“动底”造成的。解决因底沙运动产生的船速失真造成流速、流向错误的问题，最直接的方法就是外接GPS（全球卫星定位系统）测定测船在航迹上运动的任意两点的距离来测定船速。一般来说通过GPS测定的船速是真实的，基本上可以解决ADCP“底跟踪”方式测量的船速失真问题，同时也解决了河床“动底”产生的剖面宽以及水面总宽度误差的问题。ADCP内置罗经受外界磁场影响而失效可通过外接高精度罗经解决。高含沙量大水深条件下ADCP水深测量误差和失效的问题。可以通过ADCP测量配套软件外接测深仪，能有效地解决高含沙量水流中不能正常进行“底跟踪”测量水深问题。对于ADCP非实测区中表层或底层的流量计算误差，应经多次比测率定指数。岸边盲区的面积误差问题。如果岸边距离较大，三角形法计算面积误差较大时，可考虑用加大岸边距离等方法来弥补面积的偏小。航速太快或航速不均匀的问题。在低水低流速时，测船最小船速远大于水流的平均流速，需要改造测船动力系统，使低水位时测船最低航速和流速相当。
4、结束语
利用ADCP进行流速、流量测验，具有历时短、采集数据量大、不扰动流场等诸多优点，可以输出垂线流速矢量和测点流速矢量，效率比传统的流速仪法高得多。要使ADCP测量精度更高，使其得到更加充分的应用和发挥更大的效能，特别是在巡测测量和对外服务时复杂的外部磁环境与复杂的河床条件下都能准确高效测得水文数据，还需要配置高精度的外部罗经和GPS定位系统。
参考文献：
[1]田淳，刘少华.声学多普勒原理及其应用[M].郑州：黄河水利出版社，2003.
[2]谢波，田岳明，叶建红，吴建荣.ADCP河流流量测验及误差分析[J].水资源研究，2007.（18）：34-36.
[3]李冰峰.浅谈走航式ADCP在水文测流中的应用[J].城市建设理论研究.2012年第30期
[4]陈利晶；韦浩；陈澄.在感潮河段中ADCP与常规流速仪的测量应用比较[J].科技资讯.2012年第16期
[5]SL337-2006声学多普勒流量测验规范[S]，复旦大学出版社，2006年。
[6]陈力平，方波，季成康，应用GPS技术改正ADCP测量误差[J]，人民长江，2002年。
【关键词】 中小河流；水文测验；ADCP
1、工作原理与测量方式
ADCP利用声脉冲波、声波换能器，展开河流流速流量的测量装置，ADCP测量河流的流速时，将声波换能器置于水下，通过其发射一定数据的频率声脉冲波导水体，声脉冲波通过水体颗粒进行移动，水体颗粒物不断被声波换能器吸收，不同位置均可反射出声脉冲，对不同频率之间频率差值进行计算，从而确定河流水体流速。因ADCP通常配置4个声波换能器，在测量水体流速过程中，可对流速进行实时、动态的测量。由于声波换能器的数量较多，可从不同角度发射出声脉冲，为河流流速提供多组的测量数值，有利于提高数据测量的精度。利用声脉冲的测量方式，ADCP可测量水体流速，同时可测量断面流速剖面，利用声波换能器发射、接收声脉冲，可使测量数据的稳定性、精确性得以明显提高，ADCP可短时间内实现大范围流速测量。目前，针对水体流速测量，ADCP主要包含定点式、走航式两种测量方式，定点式测量是在水流固定点上安装ADCP，例如水面桥墩，利用ADCP测量水体，因仪器在固定一点上测量数值，所以，测定水体所得数值为真实值，可直接应用于数据处理。而走航式测量将ADCP安装于船体水下部分，通过船体移动检测水体，因ADCP在移动状态下测量数据，所以测定数据是一种以船体作为参照物的相对测定值。假设水体流速与水体颗粒物的运动速度相同，ADCP对颗粒物运动进行水跟踪，获得速度与ADCP速度相对。如果ADCP平台安装固定，水跟踪所得流速就是水流绝对速度。若ADCP为移动安装，水跟踪所得相对速度扣除平台移动速度，即可获得水流绝对速度。
2、ADCP在水文监测中的应用
针对水文监测而言，ADCP可准确测定水流流速、水流截面流速，可估算测定岸边的水体流速。首先，中小河流的水文测验目的、特点。通常而言的中小河流主要指与人们生活相关水体、日常生活河流与湖泊。可以说，中小河流发生的水文运动，对人们日常生活具有十分重要的影响。对中小河流进行水体治理、水文测样，可有效促进农业发展，为防洪抗旱提供重要保障。中小河流的水体灵活性特点，水体极易收到外界影响，引起水体水质、水流速、水流量变化，进一步影响了周边居民生活、农业发展。所以，对中小河流进行水文测验，可有利于掌握水体变化规律，有利于在水体发生变化前，做好相应的预防工作，降低周边环境受水体变化的影响。因中小河流的灵活性特点，水文测验中小河流时，测量极易受到水体运动影响，在水文测验中需尤其注意。其次，中小河流中的ADCP水文测验。对中小河流展开水文测验时，首先ADCP发射固定频率数值的声脉冲到水体，声脉冲通过与水体悬浮物发生碰撞，接着ADCP接收反射波，对声脉冲原频率与反射波频率的差值进行计算，利用ADCP方程式计算，获得水体流速。实际水文测验工作，许多因素均会干扰声脉冲频率，引起反射声脉冲频率发生波动，引起测定水流流速出现失真。测定中小河流流量时，因水文运动导致水体变化，对ADCP测定水流流量造成影响。在测定流量时，水体杂质影响了声脉冲反射频率，同时在杂质表层会有一层粘性物质，声脉冲接触杂质时，不能完成脉冲反射，影响测定水流流量。测定流量时，因ADCP的频率范围较为固定，只可反射出范围固定的声脉冲，所以对于剧烈运动水体，在声脉冲发射过程中，由于水体内的脉冲反射物质增加，对声脉冲反射频率造成影响。
3、ADCP的误差控制
和常规流速仪一样ADCP流量测验遵循“流速―面积法”，因此ADCP流量的误差主要由水深、剖面宽度、流速等方面的误差造成。
（1）水深测量误差。从ADCP与流速仪比测成果可以知道，ADCP最大水深与流速仪最大水深相对误差为-4.5%。ADCP是根据回波强度沿深度曲线在河底处突起的峰值来识别河底的。高含沙量高速水流河床表层产生运动浮泥，当声波遇到这层浮泥时，回波强度突然增强，认为是河底了，此时所测的水深比实际的水深偏小。此外，高含沙水流使声波能量的反射和吸收都增强，在离换能器较近的区域，回波强度增大；但在离换能器较远的区域，回波强度很快衰减至本底噪音，这使得ADCP剖面深度（或范围）减小。高含沙水流使得ADCP水深测量误差增大甚至失效。
（2）河床“动底”造成流速测验误差。ADCP对流速流向测量的最终结果是由测船速度矢量和水层速度矢量的合成矢量与测船航行的速度矢量之差而得。测船的速度由底跟踪求得，即通过流量船与河底的相对运动，由ADCP内部罗经测算出测船的速度矢量。河底稳定不动时，用底跟踪方式测定船速是可行的。当河底泥沙在高流速时随水流迁移形成“动底”时，ADCP所测得的测船航行速度偏大，因而所测得的水层流速将小于实际流速，流向也将产生偏差，ADCP所测流量将小于实际流量。当流速越大河底床沙运动速度也越大，所测流速小于实际流速的误差也就越大，因此随着流量的增大ADCP与流速仪的相对误差也随之增大。上游干支流不同来水、来沙对断面的流态、“动底”造成不同的影响，造成ADCP流量的误差也各不相同。
（3）ADCP内置罗经磁偏角引起剖面宽的误差。根据ADCP测流原理，ADCP底跟踪方式测流时，ADCP磁偏角只对流向及航向有影响，对流量测验结果没有影响，这是在一次测流过程中假设磁偏角不变的结果。ADCP内置磁罗经容易受外部磁环境的影响而产生磁偏角。
ADCP测量产生误差的主要原因是河床“动底”造成的。解决因底沙运动产生的船速失真造成流速、流向错误的问题，最直接的方法就是外接GPS（全球卫星定位系统）测定测船在航迹上运动的任意两点的距离来测定船速。一般来说通过GPS测定的船速是真实的，基本上可以解决ADCP“底跟踪”方式测量的船速失真问题，同时也解决了河床“动底”产生的剖面宽以及水面总宽度误差的问题。ADCP内置罗经受外界磁场影响而失效可通过外接高精度罗经解决。高含沙量大水深条件下ADCP水深测量误差和失效的问题。可以通过ADCP测量配套软件外接测深仪，能有效地解决高含沙量水流中不能正常进行“底跟踪”测量水深问题。对于ADCP非实测区中表层或底层的流量计算误差，应经多次比测率定指数。岸边盲区的面积误差问题。如果岸边距离较大，三角形法计算面积误差较大时，可考虑用加大岸边距离等方法来弥补面积的偏小。航速太快或航速不均匀的问题。在低水低流速时，测船最小船速远大于水流的平均流速，需要改造测船动力系统，使低水位时测船最低航速和流速相当。
4、结束语
利用ADCP进行流速、流量测验，具有历时短、采集数据量大、不扰动流场等诸多优点，可以输出垂线流速矢量和测点流速矢量，效率比传统的流速仪法高得多。要使ADCP测量精度更高，使其得到更加充分的应用和发挥更大的效能，特别是在巡测测量和对外服务时复杂的外部磁环境与复杂的河床条件下都能准确高效测得水文数据，还需要配置高精度的外部罗经和GPS定位系统。
参考文献：
[1]田淳，刘少华.声学多普勒原理及其应用[M].郑州：黄河水利出版社，2003.
[2]谢波，田岳明，叶建红，吴建荣.ADCP河流流量测验及误差分析[J].水资源研究，2007.（18）：34-36.
[3]李冰峰.浅谈走航式ADCP在水文测流中的应用[J].城市建设理论研究.2012年第30期
[4]陈利晶；韦浩；陈澄.在感潮河段中ADCP与常规流速仪的测量应用比较[J].科技资讯.2012年第16期
[5]SL337-2006声学多普勒流量测验规范[S]，复旦大学出版社，2006年。
[6]陈力平，方波，季成康，应用GPS技术改正ADCP测量误差[J]，人民长江，2002年。