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现代化河流流量测量技术 ——ADCP的应用——
一、 引言
河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。传统的河流流量测量方法包括人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量等。其基本原理是在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速, 从而得到垂线平均流速，进而得到断面面积和断面平均流速，流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。这种传统方法费工费时，效率低。
本文介绍一种现代化的河流流量测量技术——利用声学多普勒流速剖面仪（英文简称为ADCP）测量河流流量。
用ADCP进行河流流量测量是近十年来才发展起来并得到广泛应用的新技术，它可以称得上是河流流量测量领域的一次革命。当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，ADCP马上测出河流流量。它的效率比传统方法提高几十倍。该仪器的特点是能够直接测出断面的流速剖面和流量，测量时不扰动流场，测验耗时少，测速范围大，诊断维修方便等，目前已被广泛用于海洋、河口及内河的流场结构调查、流速和流量测验等作业。
二、 ADCP原理
ADCP利用声学多普勒效应进行测流。它的换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP所接收。由于悬浮物质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。根据这一频移的大小和符号（正负），即能计算出流速和流向。
从理论上讲，用ADCP进行流量测量的原理与传统方法的原理是相同的，都是在测流断面上测出多条垂线的水深和流速，从而计算出流量。但是它们之间存在着很大的差别：
1、 统测量法中的“测点”数有限
一般一个河流断面只设5~7个测点，每个测点测出3~5个不同深度上的流速；而ADCP在船只航行过程中的采样率很高，即可以测到非常多的“测点”，而在每“测点”上可以测到几十个不同深度的流速值，实际上它是用积分的方法求出流量，因此在数据质量上有了很大的提高。
2、 方法的测流断面通常要求垂直于河岸。ADCP方法不要求测流断面垂直于河岸。
船只航行的轨迹可以是斜线或曲线，这大大地方便了施测作业。
三、 ADCP在国内的应用
目前国内各大流域、交通部下属单位以及一些大学已拥有100多台美国RDI公司生产的ADCP，并已投入使用，效果甚好。
实例1 在长江三峡大江截流工程中的应用
作为截流水文测验项目之一的流速流量水文资料，对掌握龙口合拢期的水流流场和流态条件，对合拢时抛投料块、抛填方式的选择都具有重要的意义。长江三峡大江截流流速流量测验，即以ADCP为主要测验技术手段。截流期间，走航式ADCP主要用于大江与导流明渠的分流比测验、导流明渠的流速分布测验以及三峡工程出口控制站流量测验；定点式ADCP则负责龙口垂线流速分布测验。在大江截流期间，ADCP完成了流速分布424次、流量267次的大量测验资料。取得的一些测验成果是常规水文测验所无法得到的。由走航式ADCP实测龙口合拢时戗堤渗流量87.1m3/s，定点式ADCP实测龙口最大流速4.22m/s，收集到宝贵的龙口流速分布资料。
实例2 长江口潮汐河段潮流测验
长委水文局1990年底引进了第一套ADCP，1991年即投入长江河口潮汐河段的潮流测验。长江河口属中等强度的潮汐河口，潮流性质为非正规半日潮。长江口地区的徐六泾水文站在建站初期，采用常规方法进行潮水文测验工作，每年只能以全潮方式安排几次代表潮测验，安排一次代表潮测验需要最少7条船多船组同步作业，一次全潮测验需半个月时间，耗费大量人力物力财力，一旦测验期间天气情况发生变化，出现大风大浪，测验即被迫中断，所有工作即告报废。而且，每年几次有限的代表潮，资料无法进行整编，影响资料的使用。随着ADCP的投入应用，由于ADCP完成一次断面流量测验只需几十分钟，不需多船同步作业，因此可利用ADCP每月安排一定测次的半日代表潮。一次半日代表潮仅需13小时左右，受天气条件的制约较少；而且，由于测次较多，结合长江口潮流测验平台长期连续自记资料，可进行资料整编，有利于资料的利用。目前长江口ADCP每月完成二次半日代表潮测验，同时还完成长江口地区其他测验断面以及南北支分流比测验工作。ADCP自1991年投产至今，已成功运行9年。
此外，广东省水文局和长委水文局合作，在完成广东飞来峡水利工程截流水文测验任务中成功地使用了ADCP；前不久淮河汛期期间，ADCP也顺利地完成了汛期流量测量任务；长委下游局、长江口局等单位也在多次工程任务中成功地应用了ADCP。
四、 ADCP应用前景
由于ADCP在流量测量方面的突出优点，目前越来越多的用户都希望获得这种先进的测量仪器，长委上游局寸滩水文站在他们验收ADCP的报导中竟用了“ADCP真的来了”的标题，可见用户对它的喜爱程度。
目前长委水文局正在编撰ADCP测流规范，相信随着该规范的正式实施，ADCP将成为我国河流流量测量的常规仪器。
本文刊载于2003年8月26日“中国水利报”上 |
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