(吉林省水文水资源局吉林分局，吉林 吉林 132000)

对河流流量的测验是水文测验中的一项重要工作内容。以往由于技术水平不够发达，测量人员主要采用流速仪对河流流量进行测定。传统的流速仪测定流量方法因为科技含量不高，测量效率低下而且测定过程中耗时比较长。在遇到特大洪水或者水情比较复杂的状况下，已经不能满足需求，不能及时的为防汛指挥部门提供第一手的河流流量信息，不利于提高防洪抗灾的工作效率。走航式ADCP经过不断的科技水平更新换代，现如今已经可以准确‘迅速的对河流流量进行测定，是ADCP技术在水文测量中的一个重要创新。

1 走航式ADCP的基本工作原理

一个完整的ADCP系统有四部分组成：计算机部分，操作软件部分，ADCP能量变换器以及其他一些连接设备。在水面上的悬浮物由于水面张力与摩擦力的存在，会跟着水的流动而随之流动，通过悬浮物向河道中发射声波脉冲，在水中就会产生多普勒频率，计算机根据多普勒频移，对河流的流速剖面进行测量。河流的流速剖面是水层的三维立体成像，可以反映水流的流速以及流向。和传统的测量方式相比，走航式ADCP具有测量准确，测量用时短，操作方便快捷且对河流测量的资料比较完整。走航式ADCP能在各种情况下迅速准确的对河流流量进行测定，对水文测量的准确性和高效性是一个极大的提升。

2 基于ADCP系统的河道流量的计算方法

ADCP计算河道流量的方式是利用河流断面的深度平均流速矢量和矢量差的乘积。用公式表达为：

式中：Q表示河流流量；ξ表示测量工作船移动轨迹的单位法线矢量。dS表示河流断面上微元体的一个侧面积；S表示测量面河流的断面面积；μ表示在断面处某一点的河流流速的矢量。

2.1 中部平均流速和流量

ADCP在测验过程中，会测出所有有效微元体的的流速，然后利用计算机计算出平均所有测量微元体的流速平均值，作为河道中部平均流速。计算公式为：

式中：μxj表示在微元体中在水速测量方向上x上的流速矢量分量；υXM表示河流流速在x方向上的分量，也就是在测量过程中需要的得到的中部平均流速。

中部河道流量的计算公式：

式中：QM代表中部流量；υym表示流速在y方向上的分量，也就是中部平均流速；Z2表示河道底部到第一个有效测量单元的高度值；Z1表示从河道底部带最后一个有效测量单元的高度值。

2.2 对河道表层以及底层的平均水速和流量计算公式

河流表层平均流速的计算公式为：

河流表层流量计算公式为：

式中：m代表在河流断面中取得有效断面微元体的数量。υy表示中部流速在y方向上的矢量分量；υhx表示测量船速度矢量在x方向上的矢量分量；υx表示中部平均流速在x方向上的矢量分量；υbx表示测量船速度矢量在y方向上的矢量分量。Δt 表示在测量两个不同有效微元体过程中间隔的时间。

在河道底层水流速度的计算公式为：

2.3 河道岸边流量估算

走航式ADCP是通过河面悬浮物向水中发射声波脉冲来对河流流速和流量进行测算，因此河道岸边的流速和流量不能根据走航式ADCP进行测算吗，在以往中都是利用经验公式进行计算，河道岸边河流区域的经验计算公式为：

υ∂=∂υm

在公式中∂表示河道岸边的流速系数，按照以往计算经验，∂一般取值0.07。υ∂代表岸边流域平均流速。

河道岸边区域流量的计算公式为：

QNB=∂Aaυm

有上述公式我们可以求得在河流断面中表层，中层，底层以及岸边的流量，全部数据之和即为整个河道的流量。

3 测量数据对比分析

以吉林某水文站为例，对由传统测量方式测出的数据和由走航式ADCP测得的水文数据进行分析对比。吉林某水文站位于丘陵地区之上，在水文站2 000 m之外有水库一座，河道底部大部分为碎石河床，河道宽度在140～160 m之间，由于河流的冲刷，河道中的积淤较少，大部分情况下河道的水流较为稳定。由于水库的存在，河道中水质较好，有轻微的砂质存在。由于书库需要根据水库存情况不定期的进行蓄水或开闸放水，河道中的水位就会随着水库的状态进行变化，在水库开闸放水的时候，水流急速，水位变化十分频繁，传统的流速测量仪已经不能满足河道水文测验的使用要求。该水文站在2014年开始引进ADCP水文测量系统，大大提升和测量仪的布控效率，对大大提高了水文数据测量结果的完整性和测量效率。

3.1 对河流深度测量数据的对比

传统的测量方法和走航式ADCP同步对河流深度进行对比测量。实验中共收集有效测量数据96个，对传统的测量方法和走航式ADCP测量的水深结果进行对比分析，对比结果见表1。

表1 水深结果对比

3.2 垂线平均流速测定结果对比

传统的测量方法和走航式ADCP同步对垂线平均流速进行测定，得到有效数据样本91个，度传统的测量方法和走航式ADCP同步测得的垂线平均流速进行分析对比，对比结果见表2。

表2 垂线平均流速对比

3.3 河道流量测定数据对比

传统的测量方法和走航式ADCP同步对河道流量进行同步测定，得到有效数据样本43个，对传统的测量方法和走航式ADCP同步测得的河道流量进行分析对比，对比结果见表3。

表3 河道流量对比

通过表1～表3测量数据的对比，可以发现基于走航式ADCP对水文数据的测量方法相比于传统的流速仪测量方法具有很多无法比拟的优点，例如测量效率高，测量操作过程简单，测量的水文数据完整全面。几年来，吉林某水文站在利用ADCP进行水文测量的过程中，对走航式ADCP的使用方法有了充分的理解，积累了丰富的使用经验。圆满的完成了水文站的测量任务，为水利部门进行水源调度以及河道的治理和利用规划提供了大量真实有效的第一手数据，大大提高了水利部门的工作效率。

4 走航式ADCP系统适应性分析

4.1 走航式ADCP不适合在含沙量过高的河道中使用

在含沙量较高的河道中进行水文测量不适合使用频率较高的走航式ADCP水文测量系统，因为在含沙量比较高的河道，河道深度测量和河道底部流量跟踪数据实效的几率会大大上升。在运用低频率的走航式ADCP水文测量系统时，所测河道的深度不能太浅，否则测得的数据也会很容易失去真实性。在河道比较浅的区域可以考虑使用窄带ADCP。在一些含沙量比较高或者由于河道深度过浅无法使用走航式ADCP测量系统的河道，进行水文测验时可以使用GPS进行测量船速度的测定。在进行河道深度进行测定时可以采用深度探测仪进行测量，虽然操作繁琐，还是可以满足使用要求的。

4.2 河底推移质运动影响测量结果

在河道底部如果存在淤泥比较多。在水速度比较快的情况下，会对河道底部的淤积物造成冲击形成推移质运动。推移质的运动会直接导致河道底部水文测量数据出现偏差，影响测量数据的准确性。在河道底部淤积物较多的河道可以利用卫星定位系统对测量船的速度进行测量，减少推移质运动对测量数据造成的影响。

4.3 深度测定单元尺寸的选择

深度单元尺寸对水文测验中各个数值的测量具有很大的影响。在测量流速过程中的垂向分辨率，流速测量的精度，水流剖面的深度等等均会被深度单元尺寸的选择影响。根据以往在走航式ADCP水文测量系统使用过程中积累的经验，深度单元尺寸选择越小，测量的精度也会跟着变低。在一般的水文数据的测定中，为了尽可能的增大水流测定范围，在河道深度比较深的区域往往会选择比较大的深单元尺寸，在河道深度比较浅的区域采用相对较小的深度测定单元。

4.4 其他注意事项

在使用走航式ADCP水文测量系统进行水文测验时，需要保护好对各个部件进行良好的保护，保护计算机操作系统，能量转换器等部件不受损坏。在操作的过程中严格按照测量系统的操作规定的使用要求进行操作。在进行不同部件连接的过程中，要细心连接，不可出现类似于电源正负极反向连接的错误，反之电路损坏。在进行水文数据测量之前，需要用软件对测量系统进行检验，检验合格之后才能进行水文测验。在使用走航式ADCP水文测量系统的过程中，一些数据的设定会对测量结果造成一定的影响，因此在使用的过程中要注意经验的积累。在统计数据的时候，测量人员对一些异常数据要具有敏感性，一般在进行数据测量的过程中，会进行两次以上的测量，多次测量取平均值，确保测量结果真实有效。

5 结语

在水文测验中，随着科技水平的提高，走航式ADCP水文测量系统开始在测验中发挥积极的作用，相比于传统的测量仪器，走航式ADCP水文测量系统在数据测量速度，操作的过程，测定数据的全面性上都具有极大的优势，可以满足各种情况下对河道水文数据的测验。极大的提高和水文测验的效率和水文测验结果的准确性。但走航式ADCP水文测量系统也有自身存在的不足，随着科技水平的提升，测量系统也会慢慢完善，在水文测验中发挥更大的功用。

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