测绘论坛▏ADCP在万泉河工程中的应用研究
一、引言
海南岛是我国最大的热带海岛，被称为世界上“少有的几块未被污染的净土”，根据2009年12月底国务院签发的文件，指出“充分发挥海南的区位和资源优势，建设海南国际旅游岛，打造有国际竞争力的旅游胜地”，并逐渐成为一个具有生机和活力的国际旅游目的地。内河水运做为旅游发展的重要载体，可以使游客乘船由单个景“点”到河流沿“线”，极大带动河流沿线旅游产业开发，直接成为支撑海南旅游、生态建设发展的引擎。为了促进海南省内河航运事业的发展，发挥内河航运在建设国际旅游岛中的作用，万泉河作为内河航运的重要组成部分，拉开了内河开发的序幕。为了准确全面的解决万泉河航运工程工可研、建设设计和相关数学模型计算等技术问题，需要在该区域进行相关的原型观测工作（包括水文全潮观测、流量观测、潮位观测、流路观测等）。
ADCP（声学多普勒流速剖面仪）是一种融合了多学科技术而研制的新型测速声呐设备，作为水声技术的一个典型应用，作为一种测速仪器，ADCP在水运工程（包括内河和海洋工程）中得到了广泛应用，对于声学多普勒测流技术的研究日益受到人们的关注。目前测流仪器种类繁多, 按照工作原理的不同可以分为机械式海流计、压力式海流计、电磁式海流计以及声学海流计等。现在大量运用的是声学多普勒海流计。声学多普勒海流计采用声遥测方式，对被测流场无干扰，能够获得高精度的速度信息，被国际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一，因此ADCP成为当前广泛采用的测流仪器，是水资源调查中必不可少的重要测验设备。通过ADCP在具体工程中的应用研究，归纳总结了ADCP在工程应用中的主要工作流程，以及在工程应用中的注意事项。
二、ADCP工作原理
⒈ 多普勒效应
波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象；如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。这便是著名的多普勒效应（奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年首先提出这一理论），它不仅适用于声波，同样适用于所有类型的波，包括电磁波。ADCP就是利用声波的多普勒效应发展起来的一种新型测流设备,它是一种既可测量相对水底速度,同时又可以兼顾测量相对水流速度的声呐设备。
ADCP利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度,即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层的流速的三维分量和绝对方向。
⒉ ADCP测流原理
水体中存在大量的散射体，诸如微小粒子、浮游生物等，它们随水体流动。这些散射体和水体是融为一体的，其速度即代表水流速度。当ADCP向水体中发射声波脉冲信号，被水体中悬浮的、随水体运动的散射体后产生反射，ADCP再对回波信号进行接收和处理。根据多普勒原理，由于ADCP和散射体之间存在相对运动，发射声波与散射回波频率之间就存在一个多普勒频率，这种频率的变化完全取决于反射体的运动速度。通过测量这个多普勒频移就可以直接解算出ADCP和散射体的相对速度。如果将海流分为若干层，通过测量就可以得到海流各层相对ADCP的流速剖面。ADCP换能器既是发射器又是接收器，它从根本上摆脱了机械式仪器的测验原理。
一般地，ADCP的工作频率低，则作用距离远而空间分辨率低；ADCP的工作频率高，则作用距离近而空间分辨率高。这就要求选择测流系统的工作频率时，要根据不同目的来进行折中。这种频率的变化完全取决于反射体的运动速度，即水流速度，ADCP便可根据该多普勒频移计算出相对于ADCP的流速大小。
当ADCP向水体中发射的声波脉冲信号碰到水体中悬浮的、随水体运动的微粒后产生反射，ADCP可以根据被反射到ADCP的声波脉冲信号和ADCP发射的声波脉冲信号频率的差异（即多普勒频移），计算出相对于ADCP的流速大小：
V=c×Fd/(2Fs) （1）
式中：V为相对于测船的水体流速；Fd为声学多普勒频移；Fs为发射声波脉冲信号频率；c为声波脉冲信号在水体中的传播速度（不计盐度和深度），即：
c=1449.2+4.6T-5.5×10-2T2+2.9×10-4T3（2）
式中：T为换能器附近的水体温度。
ADCP的每个换能器轴线即为一个波束坐标，每个换能器测得的流速是沿其波束坐标方向的流速，任意三个换能器轴线轴线即组成一组相互独立的空间波束坐标系。另外，ADCP有其自身的坐标系（局部坐标系）：X-Y-Z。Z方向同ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一波束坐标的流速分量；然后利用波束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系（取决于波束角）将波束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速；然后利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜角度将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。
三、工程实例
⒈ 工程概况
该工程位于海南省琼海市，本次测验区域位于万泉河（嘉积-博鳌段）。此次水文测验中断面流量测量采用美国RDI公司的多普勒流速仪Workhorse ADCP（频率为1200kHz）。该仪器具有走航功能，测量方便精确，同时提供流量、流速和流向数据。仪器的精度为测量值的±（0.25% ±2.5）mm/s，可设置分层厚度为0.25～2米，测量范围15米，测量流速范围0～5m/s。断面流量观测包括：枯水期、中水期、洪水期分三次对7条设计的断面进行流量观测。
⒉ 水文测验
⑴测前准备
①ADCP的安装、检查及比测
为消除ADCP在动船过程中颠波可能会产生气泡的影响，ADCP安装时的入水深度不宜小于1米。根据船形和使用ADCP的规格及入水深度，设计安装架垂直主杆的长度确保ADCP安装安全牢固；ADCP测验时必须用电罗经导航；电罗经一般要求安装在测船龙骨附近，且尽可能使电罗经零方向与测船龙骨方向平行，安装完毕后应在断面上进行定标试验，以微调电罗经零方向；并测定罗经零方向与测船龙骨方向的夹角的校准值。
②现场技术人员在ADCP测流前应进行检查和比测试验，检查和比测的方法过程为：测验人员对ADCP、GPS和电罗经应进行检查，确定各通讯连接和电源供电是否正常，并按要求填写检查登记表。
③计算机中ADCP测验软件的安装,根据ADCP的型号在计算机中安装相对应版本的测验软件，并作好记录。
④在断面流速较大的中泓附近将ADCP与常规流速流向仪进行比测，采集的样本不少于30次，并对两者的资料进行对比分析，以确定断面上是否有底沙运动及ADCP的测流精度，记录比测资料及分析成果；如有底沙运动，应分析底沙运动流速范围大小，为资料的处理提供依据。
现场工作前需现场进行仪器测试：先将ADCP固定在测量船侧舷，使3#换能器位于测船前进方向（并使得3#和4#换能器连线方向与测船龙骨方向平行，以确保所测流向的准确性）。此次现场测试采用BBTalk软件对ADCP进行检测，检测结果显示：所有传感器均处于正常状态。
⑵使用ADCP进行水文测验
①测验参数的设置
根据断面的形状、断面水文特性、船速、ADCP的型号和测站任务书的有关技术要求综合分析确定断面的主要测验参数。
采用观测软件WinRiver对仪器进行设置。根据现场情况设置如下：最大水深15米；最大流速3米；每层厚度0.25米；盲区0.25米；吃水0.6米；地质为砾石。
②ADCP测验结构文件的建立
将ADCP的入水深度、数据通讯端口、记录数据的存放目录、电罗经按装零度方向与测船龙骨方向夹角的校准值、ADCP时间校准等、测验过程的显示方式及直接指令构成ADCP测验结构文件。
③ADCP测验中的GPS导航
为保证测验过程中测船沿断面航行并获取高精度定位数据，在进行ADCP的测验过程中宜使用DGPS（或RTKGPS）进行导航定位。
本次定位采用美国Trimble公司生产的DSM212/DSM212L GPS接收机。该仪器内置DGPS差分信号接收功能模块，可以同时跟踪12颗卫星，数据更新率达到10Hz，在差分模式下其内部符合精度为±0.3米，动态定位精度为±0.75米。
④ADCP水文测验
仪器安装，包括ADCP和GPS的安装，电缆线的联接，ADCP入水深度的确定。ADCP的安装必须保正3#、4#换能器的连线与船龙骨线平行，且GPS天线应与ADCP在同一垂直位置。
测量船为3.5米长、1.5米宽，操纵灵活、吃水小，适合在浅水区工作。由DGPS导航定位，在指定的断面位置观测，由多年从事水上测量的具有丰富经验的人员操纵测量船只，使测线按计划线进行，尽量匀速行驶。在岸边先固定测量船，将仪器设置好，开始观测，输入距离岸边（左岸或右岸）距离，在观测10组数据后再开动船，目的是为了准确的估算起测点到岸边这段水流的流量。结束时也同样要多测量10组数据在结束，并输入距岸边的距离。
ADCP与GPS安装完毕后运行ADCP的测试软件，分别测试计算机和ADCP、GPS的通讯测试，ADCP状态测试，在各项测试均顺利通过的情况下，才能进行测验。
ADCP时间校正：必须以GPS的时间为依据，严格校对ADCP和GPS两者之间时差，确保两者之间的时间差小于1.0s。从右岸开始到左岸结束，船速不超过1.5m/s，再由左岸到右岸观测。两次观测的流量值之差不大于平均值的5%即为合格。
⑶数据处理及报表统计
①ADCP断面流量计算
ADCP数据处理过程主要有垂线上下盲区流速的插补、断面左右岸边滩盲区流量插补和ADCP二进制文件转换为ASCII文件后流速流向流量的编程计算。
②垂线上下盲区流速的插补
垂线上下盲区流速的插补有两种方式，其一：根据常规流速流向仪实测的流速流向资料，分析率定断面流速沿垂线分布的模型，ADCP上下盲区按照模型进行插补；其二：直接参照理论上常规流速流向分布模型。本断面经多次比测（与常规的海流计同步观测）资料分析，垂线上下盲区的流速的插补模型为，上盲区流速流向为ADCP所测第一个单元的流速流向，下盲区流速为ADCP所测最后一个有效单元的流速乘以0.72，流向为ADCP所测最后一个有效单元的流向。
③断面左右岸边滩盲区流量计算
断面左右岸边滩盲区流量计算有两种方式：当ADCP在断面上固定的起点和终点上航行测验，并且有分析成果说明，测验起点和终点间的流量所占断面总流量的比值恒定，则根据实测流量除以其所占的百分比即为断面；当ADCP每次在断面上不同的的起点和终点上航行测验时，则边滩流量按常规多垂线测流时边滩流量的计算方法计算，即根据ADCP开始和结束时所测的垂线流速乘以岸边流速系数乘以垂线距岸边的距离。本断面经多次分析采用第一种方法计算边滩盲区流量，流量比例系数为72%。
④断面流量计算
其流量测验的方法，本质上为沿断面方向的积宽和沿水深方向的积深。
⑤数据报表的形成
由WinRiver软件将原始数据处理成数据文件，经过整理后形成数据报表。再将从左岸到右岸的数据分段处理，最终生成流速、流向等相关报表。
⒊ ADCP在我国水运工程中的应用实例
近年来，ADCP先后在我国水运工程等领域已逐步得到推广应用，并取得了很好的应用效果。如三峡工程、上海国际航运中心洋山深水港与东海大桥工程，杭州湾跨海大桥，上海松浦大桥水文站测流，长江、黄河、珠江等内河水系，以及沿海各港口、风电、核电等工程中得以应用并取得良好效果。
在1997年三峡工程大江截流和2002年11月6日三峡工程明渠截流中，均使用ADCP进行流量测量，并取得了圆满成功。
水利部长江水利委员会与RDI公司联合于2002年9月18～23日在国内首次开展ADCP与DGPS、测深仪及电罗经集成的试验，该试验选择了位于三峡大坝下游约5km处的黄陵庙水文站测流断面。试验结果表明：采用DGPS、测深仪及电罗经数据得到的流量与底跟踪得到的流量吻合很好，满足测流精度，从而解决了ADCP在洪水期使用时遇到的高含沙量水流、水底存在推移质运动以及磁罗盘受铁壳船干扰等问题。
上海国际航运中心洋山深水港工程区域具有水深、流急、泥沙含量高的特点, 这种多变的流态使得传统流速仪测流的方法受到限制。在建设过程中, 使用具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大等特点的ADCP和常规流速仪在洋山港进行了港池水域及主要通道的水文、地形动态跟踪监测，通过大量比测测验资料, 然后运用数理统计方法和公式，对各项比测误差与精度进行统计与分析。分析结果表明，ADCP测验速度快、精度高，具有常规流速仪不可比拟的优越性。
另外可将ADCP实时海流信息经处理后实时显示在海图上，将海流信息存储在服务器端数据库SQLServer中并实时更新，通过制作海流符号，ECDIS客户端程序定时访问数据中心服务器。这样，航行者就可通过接收到电子海图上的海流信息直接掌握港口海流的状态和变化，合理安排进港时间与进港路径，尤其在狭长水道、浅水区域、船舶密集等水域,能够提高进港效率，从而在一定程度上提高了经济效益。如果存在流速过大等情况，航行者可以决定延缓进港时间，从而确保通航安全。
⒋ 工作过程中的关键点
①充分的工作准备。参与工作的仪器设备（如ADCP 、GPS及相关配套线缆、电源以及数据通讯线等），使用软件、测试条件，对参与项目的工作人员进行技术交底并进行相关的技术培训；
②全面的现场测试。当设备安装完毕（安装阶段确保ADCP的3#、4#换能器的连线与船龙骨线平行，且GPS天线应与ADCP在同一垂直位置）、各线缆连接正确后，启用测试软件进行相关检测，待测试界面出现的测试结果均为“ok”，表明仪器工作正常并可以开始现场测量，否则对非正常情况必须进行检查，必要时应当关闭电源后重新连接各设备并重新进行测试，直至测试正常；
③正确设置各种参数。根据工程现场情况，结合测区的水深情况，对换能器吃水、测量单元的层厚、最大和最小水深等情况进行准确的设置；
④水文测验过程中，密切关注船只行使安全（并尽可能使测船沿断面匀速行进），数据采集安全，尤其在靠近岸坡与岸边时更要提高警觉，确保工作安全；
⑤数据处理过程要正确处理表层与底层盲区。主要处理方法有两种：其一，根据常规流速流向仪实测的流速流向资料，分析率定断面流速沿垂线分布的模型，ADCP上下盲区按照模型进行插补；其二：直接参照理论上常规流速流向分布模型。这两种方法可根据项目本身情况相互检验。
四、总结
ADCP在海南省内河-万泉河（嘉积-博鳌）原型观测工作发挥了极大的作用，为准确全面的解决万泉河航运工程工可研、建设设计和相关数学模型计算等技术问题提供了详实可靠的水文数据资料。经过认真总结，ADCP在工程应用中应注意以下事项：
①现场测验过程中，现场技术人员应如实填写工作记录薄（可依据本单位ISO质量管理体系自行制订），并实时监视ADCP测验动态采集过程，如监视ADCP底部跟踪及流速流向信息的质量；若出现ADCP底部跟踪信息的质量欠佳，应立即现场检查情况，分析产生的原因，以确定是否要重测会采取其他措施，并将相关情况汇报至项目负责人或技术负责人。
②测船驾驶人员应认真驾驶，确保船只安全，并尽可能匀速沿断面行驶。
③ADCP测验期间应每5小时需重新校对ADCP时间，如时间误差大于2s时，现场技术人员应在工作记录薄中如实填记时间误差值，重新校对ADCP时间（使之与GPS时间一致），确保两者时间同步。
④每次测验工作完毕后，仪器设备都应整理妥当，ADCP必须用淡水冲洗干净后擦干，ADCP和GPS必须放在专用保管箱中，其他相关设备亦应妥善保管，以备其他项目使用。
相信，随着人类对水和声波等认识的不断加深，ADCP在诸如信息化、智能化以及未来其他方面的应用与研究领域将会更加广阔。
■文/刘彦祥，文章来源：GIS空间站