声学多普勒流量计：水文现代化与新技术

2.5.2.1　声学多普勒流量计的工作原理、仪器类型和仪器组成1.工作原理

（1）走航式ADCP。走航式ADCP是应用最多的声学多普勒流量测量系统，其基本测速原理如前所述。

测得流速分布的同时，利用ADCP内的回声测深仪测得各预定垂线的水深，利用河底跟踪或外接GPS测得各垂线的地理坐标。根据流量测验规范的规定，ADCP在计算机上直接显示、记录断面流速分布和流量。水面、河底及近岸测不到流速的盲区区域，将采用经比测验证的经验系数来计算这些区域的流量值。

（2）水平式ADCP（固定安装的ADCP）。如果将ADCP固定安装在岸边或河底、水面，它可以自动测量仪器正对水中剖面上的流速分布。如果此剖面上的流速可以和全断面上的平均流速建立起较固定的相关关系，就能得到断面平均流速。同时测量水位，就可以得到测流断面面积A。流量Q可用Q＝A计算得到。

将ADCP安装在一侧岸边称为HADCP（水平式ADCP），实际工作中是一种主要的应用产品。这里以这种仪器为例来做介绍。HADCP测流示意图如图2.51所示。

图2.51　HADCP测流示意图

1—数据采集器；2—安装支架；3—测速传感器（包括水位传感器）；4—测速剖面上某一测速单元

水平式ADCP的测量传感器固定安装在岸边，只能测得一个水层的流速分布，需先用流速仪法测量断面上相关的点流速，再和水平式ADCP测得的水层流速资料进行分析，找出水平式ADCP测得流速和断面流速的关系，用来计算断面平均流速。水位涨落时，固定安装点的相对水深会有变化，将影响流速关系的建立。也可将水平式ADCP的安装深度构建成能随水位变化而调整的形式，便于得到较稳定的流速关系。同时测量水位，利用借用断面资料得到断面面积。另一种流量计算方式是基于流速沿垂线分布原理，利用测得的各点流速估算垂线平均流速，再计算局部流量，得到总流量。在缺乏比测试验资料的情况下，可以使用此方法。

座底式ADCP安装在河底，向水面发射超声波，测得一根垂线的流速分布。传感器通过电缆和岸上计算机相连。要从一根垂线的流速分布得到断面平均流速，仍然需要通过常规测量方法建立相关关系。同时根据已测水位，利用断面资料，得到断面面积信息，计算流量。将ADCP固定安装在水面附近水下的固定建筑上，向下测量垂线流速分布。也可将ADCP安装在专用的固定浮标上，向下进行测速。河面较宽时，适宜用这种方法，相当于在水面上设了一个自动测速浮标站。

（3）声学多普勒流量计（ADFM）。可以认为这是一种专用的座底式ADCP，这种型式的流量计被称为ADFM。

一类ADFM上安装两组向断面两侧倾斜不同角度的声学换能器，可以得到断面上两条斜向剖面线的流速分布，更有利于测得断面平均流速。声学多普勒流量计（ADFM）测流示意图如图2.52所示。仪器O发出3个（组）超声波束。A波束测量水位；B组和C组波束各有两个声学发射接收器。工作结果是测得了OC、OB两条不对称的斜剖面线上的流速分布，比起一条垂线的速度更有代表性。由水位计算出断面面积，最后得到流量。

另一类较简单的ADFM只有一组垂直向上的测速声学换能器，只测中心垂线的流速分布，同时也测量水位。

图2.52　声学多普勒流量计（ADFM）测流示意图

1—数据采集器，2—测速传感器（包括水位传感器）

2.仪器类型

（1）走航式ADCP。①船用ADCP：整个测流系统装在机动测船上，用于较大河流的测流。②牵引式ADCP：测流系统中的传感器装在可牵引的浮体小船上，牵引过河进行测量。测得数据存储在仪器内，或用无线方式传回岸上，用计算机处理。用于中小河流有桥或缆道可以牵引过河的地点。

（2）固定式ADCP。因应用场合和安装方式不同，可分为水平式ADCP、座底式ADCP和水面式ADCP。

（3）ADFM。适用于小河或渠道的流量测量。

3.仪器组成

仪器包括测速部分、测深和河底跟踪部分（走航式ADCP）或测水位部分（如HADCP和ADFM）、数据接收处理部分。工作时需要与计算机或专用岸上测控记录仪器相连，由随机提供的专用软件合成整体结构控制仪器的自动工作和收集处理测得的数据。

2.5.2.2　声学多普勒流量计介绍

国外有多种此类产品，很少有成熟应用的国产产品。下面均以应用较多的国外产品为例进行介绍。

1.走航式ADCP

（1）仪器构成。仪器主体是一个三声束或四声束换能器，电子部件、磁通门罗盘、倾斜计、温度传感器、底跟踪固件都在此整体结构中。具有用来连接DGPS定位系统的DGPS接口、RS—232或RS—422数据通信接口。图2.53是一四声束的走航式ADCP。

一般都用个人计算机（PC机）或便携机运行专用软件接收处理测得的数据，生成测速测流结果，用通信电缆连接ADCP和计算机。

这类走航式ADCP连同计算机一起装在机动测船或小浮体船，将走航式ADCP装在小浮体船上，船上装有通信电台，将测得的数据发送到岸上计算机。装有走航式ADCP和通信电台的浮体船如图2.54所示。

为了在浅水中应用，设计了微型的走航式ADCP，装在更小的浮体船上，用蓝牙无线通信与岸上计算机通信。微型走航式ADCP如图2.55所示。

图2.53　四声束的走航式ADCP

图2.54　装有走航式ADCP和通信电台的浮体船

图2.55　微型走航式ADCP

（2）技术性能。包括四声束走航式ADCP、微型走航式ADCP和ADP的技术性能。

1）四声束走航式ADCP（图2.53）的主要性能。系统频率：600k Hz、1200k Hz；测速单元数：1～128；单元长度：0.5～4m（600k Hz）、0.25～2m（1200k Hz）；最大剖面范围：100m（600k Hz）、26m（1200k Hz）；流速量程：±5m/s（默认）、±20m/s（最大）；测速准确性：±0.25%±0.25cm/s；波束角：20°；通信端口：RS—232、RS—422、ASCⅡ、二进制；温度计：安装在传感器上范围：－5～45℃；精度：±0.4℃；倾斜计（安装在传感器上）范围：±15°；准确度：±0.5°；罗盘：（内置现场标定功能）准确度：±2°；电源：直流10.5～18V。

2）微型走航式ADCP的技术性能。系统频率：2MHz；测速单元数：1～20；单元长度：1～10cm；最大剖面范围：2～4m；流速量程：±7.2m/s；测速准确性：±1%±0.2cm/s；波束角：20°；通信：“蓝牙”无线通信；温度计（安装在传感器上）范围：－4～40℃；精度：±0.5℃；电源：直流9～13.5V。

3）ADP的技术性能。ADP也是一类声学多普勒剖面流速仪，走航式ADP使用三声束换能器。其技术性能如下：系统频率：500k Hz、1000k Hz、1500k Hz以及2500k Hz、3000k Hz；测速单元数：可达100个；最大剖面范围：120m（500k Hz）、40m（1000k Hz）、25m（1500k Hz）；流速量程：±10m/s；测速准确性：±1%±0.5cm/s；波束角：20°；通信端口：RS—232、RS—422；温度计：（安装在传感器上）精度：±0.1℃；倾斜计：（安装在传感器上）范围：±50°，准确度：±1°；罗盘：准确度：±2°；电源：直流12～24V。

2.水平式ADCP

（1）仪器构成。仪器由水下部分（换能器）、水上的流速流量显示器组成，两者用电缆连接。水下部分包括一组测速的超声换能器和一个测量水位的超声换能器，如图2.56所示。

图2.56　水平声学多普勒剖面流速仪的水下部分

（2）技术性能。图2.56中的产品可以达到如下技术指标。测速范围：±6m/s；测速准确度：±1%±0.5cm/s；测速分辨力：0.1cm/s；测速距离：500k Hz：120m，1500k Hz：22m，3000k Hz：8m；水位测量范围：500k Hz：18m，1500k Hz：10m，3000k Hz：5m；水位准确度：500k Hz：±0.6cm（＜6m），±0.1%（≥6m），1500k Hz和3000k Hz：±0.3cm（＜3m），±0.1%（≥3m）；测量时间间隔：可设置；数据存储量：200000个测量数据；通信：RS—232和SDⅠ—12通信协议；温度测量准确度：±0.1℃；工作环境：－5～＋40℃；电源：直流12V（7～15V），12/24V（6～30V）；功耗：500k Hz：0.7～1W，1500k Hz：0.1～0.2W，3000k Hz：0.1～0.2W；待机功耗：0.0001W。(www.xing528.com)

HADCP产品可以达到如下技术性能。测速范围：±5m/s（默认）、±20m/s（最大）；测速准确度：±0.5%±0.2cm/s；测速分辨力：0.1cm/s；测速距离：300k Hz：300m，600k Hz：90m，1200k Hz：20m；水位测量范围：0.1～10m；水位准确度：±0.25%±0.3cm；测量时间间隔：可设置；通信：RS—232、RS—422、RS—485和SDI—12通信协议；温度测量准确度：±0.2℃；工作环境：－5～＋45℃；电源：电压：9～18 VDC，最大电流：0.15A。

图2.57　声学多普勒流量计（ADFM）的水下部分

3.ADFM

（1）仪器构成。仪器由水下部分和水上测控记录仪器组成，用电缆连接。水下部分是测速和测水位的声学换能器，包括一些有关电路。图2.57是声学多普勒流量计（ADFM）具有两组测速、测水位的声学换能器的水下部分。

（2）技术性能。图2.57图中的产品性能如下。系统频率：1230k Hz；测速波束：两组，不对称分布；测速单元尺寸：5～30cm；垂直测速剖面范围：0.2～6m；测速量程：±5m/s；测速准确性：±0.5%±0.3cm/s；水位测量范围：0.15～9m；水位测量准确度：±0.5%±0.6cm；流量测量准确度：±2%；通信端口：RS—232、RS—422；数据采集：内存20MB，记录流速、流量、水深；内置温度传感器，用于温度自动修正和测温；电源：直流24V，交流220V。

2.5.2.3　声学多普勒流量计的安装和应用

1.安装

（1）走航式ADCP均用于同时测速、测流量。其安装方式已于前述。

（2）有些制造商要求HADCP安装在水下断面平均水深的一半水深处，以测得具有代表性的水层流速。为适应水位的变化，故安装时首先要保证安装在最低需测水位以下一定水深处，同时要找到该断面上流速有代表性的水层，使仪器尽可能安装在这一水深处。

HADCP应用专用固定方法固定在桩或岸壁上，要保证仪器安装水平，中轴平行于测流断面线。如果仪器要随水位变化而升降，更需注意保证固定水平和方向。ADFM安装在水底，一般安装在中间或主流处，同样要保证固定和垂直方向。

2.应用

（1）走航式ADCP的应用。这类仪器在国内推广应用还不是很久，相应的规范刚制定颁发，需要在实践中积累经验，加以完善。美国应用较早，有些规定可资参考。

（2）固定式ADCP和ADFM的应用。在应用前应该进行流量的比测，验证流速流量关系是否稳定，确定有关计算系数。

与流速仪法进行一定数量的比测后（要在不同水位时进行），分析建立不同水位时测得的局部剖面流速和断面平均流速的关系。如果此关系是比较稳定的，误差也是可以控制的，就可以建立相应的数学模型。用仪器配用的计算机或专用数据采集仪运行此模型，就可根据测得的水位和局部剖面流速计算断面平均流速，再由此时的过水断面面积计算得出流量。

声学多普勒流量计没有固定的流量计算模型，必须在现场和较准确的流量测量方法进行比测后才能确定它在此断面上应用时的流量计算模型。

2.5.2.4　声学多普勒流量计的特点和准确性分析

1.特点

（1）走航式ADCP的特点。走航式ADCP在国内应用已有十多年历史，随着仪器本身的技术改进和使用技术的提高，它已开始在国内推广，它的优点是：

1）测流速度快，机动性强。测船横跨断面就能完成流量测量。特别适用于大江大河、河口、洪水时的流量测量。

2）可以得到完整的，相当详细的流速流向、水深、断面数据。

3）不管是应用河底跟踪还是GPS，测船能自动定位，不需要附加的定位装置。

4）可用各种渡河设施进行走航式ADCP施测，不需专建测流设备。

但是走航式ADCP也有不足之处：

1）在含沙量较大、流速较大的地点，使用效果不好，受影响的程度与仪器性能有关。在正式应用前，应进行在各种水文条件下的比测作用，最后确定能否应用，能在什么情况下应用。否则，测得数据可能不可靠。

2）推移质问题。有推移质存在，就要用GPS定位系统代替河底跟踪系统。所以测流前要观察有无推移质，或干脆完全应用GPS。

3）有盲区存在，有时很影响流量测验准确性。

4）设备投资较大，技术复杂，掌握较困难。

（2）HADCP和ADFM的特点。HADCP和ADFM都能固定安装在水中，长期自动工作，测得流速、水位从而测得流量，是一类较简单（指不需改造河道、仪器本身不大而言）的声学流量计。安装在水中的仪器体积不大，不会影响水流。适用于中小河流和渠道的流量自动测量。仪器技术先进，自动化程度很高，功能很强，是一种较好的流量计。

它的测速能力限制了它的应用。现有产品最远测速距离约为200m，实际应用中一般都只有几十米。这使它很难用于大江大河，因为数十米水层的流速代表性毕竟有限。它只能测得仪器安装点处的一层水的局部流速分布，而水位是在不断变化的。不同水位时，这一层水的流速代表性会有变化，而经常变换仪器安装水深又是极其困难的。它不宜用于过浅的水中，流态紊乱和较高的含沙量会使它的测速能力下降，这是所有反射式声学仪器都存在的问题。

声学多普勒流量计适用于渠道、运河、断面稳定的中小河流以及管道。断面处要有适宜安装的地点。由于断面不稳定、航运、人为干扰等因素，有时会使得HADCP和ADFM的安装非常困难，在有些场合甚至是不可能的。

2.准确性分析

（1）走航式ADCP的测流准确性。①流速测量准确性：在船上应用时，还要加上水平方位、倾斜角度、船速等计算改正因素，实际测得的流速准确性将低于固定安装的HADCP测得的流速准确性。②断面测量准确性：应用走航式ADCP测流时，每次都实测断面的水深等数据，其成果比借用断面准确。但每次实测都应该是比较稳定、可靠才行。③其他影响。

走航式ADCP的测流影响因素很多，测得结果并不非常稳定。测验规定要进行4次，允许相差为5%。

（2）HADCP的测流准确性。HADCP被认为是流量自动测量的可行方法。从指标上看，制造厂提出的流量测量准确度也在2%～5%。用户都可能用流速仪法与之进行比测，以考核是否能达到此指标。

现从仪器的测量误差来综合分析ADCP的流量测量准确度。对作为流量测量标准的流速（仪）面积法，流量测量准确度取决于过水断面面积和流速的测量准确度。过水断面面积测量准确度主要取决于水深测量，而水面宽度和水面某一测深垂线离岸距离的测量是比较容易控制的。水深测量误差被要求控制在3%～5%以内，一般情况下，累计频率为75%的测深误差不大于1%～3%。测深垂线起点距误差为1%，过水断面面积误差可达3%以上。用旋桨式或旋杯式流速仪进行流速测量被认为是野外流速测量最准确的方法，但这类流速仪本身的测速误差可以达到1.5%。在野外使用时，由于悬挂方法影响，测船缆道等测流设备以及水流状况的不同，将使测速误差增大。流速仪测得的是点流速，由此推算得到部分断面平均流速。综合这些因素，流速误差能在2.5%左右就是很好的了。再考虑上述的过水断面面积误差，流量误差勉强可在5%以内。这样的推算是在理想状态下的估计，说明就是作为标准的流速（仪）面积法，也只能保证流量测量准确度在5%左右。以此为准，要说明其他方法的流量测量准确度在2%还是5%是很勉强的，只能是估计而已。国际标准也规定以流速（仪）面积法为河流流量测量的标准值，不过规定得很细，不是一般水文站所能做到的。例如：它对测速测深垂线间距的规定是这样的：10m以下宽的水面，垂线间距0.1m；10m以上宽的水面，垂线间距为水面宽的1%。也就是说垂线要有100条，而且在每条垂线上用流速仪进行10点法测速，这样计算出来的流量才作为标准流量。而通常用断面上10～20条垂线，使用五点法测速，计算流量。如果测深测距都很准确的话，用此国际标准推荐的方法估算，该流量值也至多能达到5%的不确定性（置信水平95%）。

声学多普勒流速仪的测速误差已在前节中进行了分析。用作声学多普勒流量计时，流速测量准确性是和ADCP剖面流速仪一致的。但增加了过水断面测量误差，体现在仪器的水位测量误差上。所用的水位测量方法有液介式超声水位测量和压阻式压力水位测量两种，由此产生的水位测量误差参见水位测量仪器部分。它们的水位测量误差可能在0.2%～0.3%范围内，对过水断面面积的影响视具体情况不同而不同。再考虑ADCP的测速影响因素，流量测量误差很难估算，但可进行如下一些推断：

1）由于使用的是声学和压阻式压力水位计，水位测量准确度不高。至少不会高于浮子式水位计和人工观读水尺。

2）HADCP只测一层水的局部流速分布，而且是近岸的一段，以此代表全断面平均流速，其准确度不会高于流速仪的全断面测速。

3）根据前文的ADCP流速测量准确度分析，HADCP的各单元测速准确度不会高于相应的转子式流速仪点流速测量准确度。

（3）ADFM的测流准确性。利用ADFM测量流量的准确度也受上述因素影响，但它可测量两个斜向剖面流速，流速代表性可能优于HADCP的一层水层的局部流速。

另外，ADFM受水面河底盲区限制。在小河、渠道中测流，此盲区影响的范围占垂线的比例较大，会降低测流准确性。

2.5.2.5　声学多普勒流量计的维护

除了定期检查仪器外，不需要专门维护。对水下部分，要检查清除仪器上的沉积物和附着物。对长期自动工作的HADCP和ADFM要定期检查电缆、电源、避雷设施。