多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析
声学多普勒流速剖面仪ADCP及其在水文测流中的应用
声学多普勒流速剖面仪ADCP及其在水文测流中的应用蓝标;曲娟【摘要】This paper describes flow measurement principle of ADCP （Acoustic Doppler Current Profiler）.Compared with the regular hydrometric propeller,the characteristics and measurement process for ADCP flow measurement are introduced.The possible emerging problems in flow measurement of ADCP are summarized,and some attention matters are pointed out.%本文阐述了声学多普勒流速剖面仪ADCP的流量测量原理,并通过对ADCP流量测量仪与常规流速仪的比较,说明了ADCP流量测量的特点及其测量过程,并对ADCP流量测量中可能出现的问题进行了总结归纳,指出了应用中应注意的问题。
【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2011(028)004【总页数】5页(P65-68,73)【关键词】ADCP;测流;应用【作者】蓝标;曲娟【作者单位】深圳市水务局防洪设施管理处,深圳518000;长春气象仪器研究所,长春130012【正文语种】中文【中图分类】TH7660 概述在河流水文测验工作中，流速和流量的测量是两项很重要的工作，过去，一般都采用单点式流速仪（如机械式流速仪、电接式流速仪等）逐一的对各条测流垂线进行点流速测量，然后根据流速面积法换算出整个断面的流量，这种测验方法其测量精度虽然能够满足水文测验规范的要求[1]，但历时时间长，工作强度大，是其很大的弊端。
美国RDI公司研制的一种先进的测流仪——声学多普勒测流剖面仪，对于水文测验工作来说，则在很大程度上改变了流量测验的方法，实现了测流技术革命性的突破，将在河流水文测验工作中会获得更广泛的应用。
多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析
多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析摘要:随着时代的发展,水文仪器已进入高科技时代,ADCP即多普勒流速剖面仪是目前测量江河流量的最高端产品,但任何仪器设备都不是万能的,对于操作者来说将提出更高的要求。
本文通过与流速仪法对比分析,总结出了利用两种不同的方法所存在的差异,对于同行业使用ADCP测流具有一定的参考价值。
关键词:ADCP 流速仪对比分析1 情况简介松花江(六)站是松花江控制站,也是国家重要水文站。
该站位于吉林省德惠市松花江镇,设立于1923年1月,最初站名为松花江铁桥;1933年11月更改站名为松花江; 1966年6月经过几次迁移,最后为目前的松花江(六)水文站,集水面积51500km2。
畅流期采用牵船索人工摆舵船上测流。
该站ADCP于2008年就已经配置到位,近几年来一直在进行对比及操作训练,目前该站人员已经能够对ADCP进行熟练操作和使用,对比数据经计算分析合理可靠,具备投入使用的条件。
ADCP是利用多普勒效应原理进行流速测量。
ADCP因其原理的优越性,突破传统机械转动为基础的传感流速仪,用声波换能器作传感器,换能器发射声脉冲波,声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射,由换能器接收信号,经测定多普勒频移而测算出流速。
ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。
目前被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。
与传统的人工船测,桥测,缆道测量,和涉水测量的基本原理一样:在测流断面上布设多条垂线,在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速,但ADCP所测的垂线可以很多,每条垂线上的测点也很多。
2 对比分析的目的通过对比ADCP测流与常规流速仪测流数据,分析之间存在差异的原因,可以尽量减少由于操作不当产生的误差,以便ADCP在本站更好地投入应用。
同时还可以解决本站由于偏角测量引起的流量改正等一系列问题。
ADCP·流速仪流量相关系数分析
ＡＣ Ｄ Ｐ内有 罗 盘 。温 度 盐 度 传 感 器 、 力 传 感 器 、 压 Ｄ Ｐ Ｇ Ｓ接 口、 能器等部件 。换 能器一般 配有 ４个 。 Ａ ． 换 与 Ｄ
Ｃ Ｐ轴线呈 ２ 。 角。每个 换 能 器 既是 发 射 器 又是 接 收 Ｏ夹 器， 换能器发射某一 固定频 率 的声脉 冲， 这些 生脉 冲碰 到 水体 中悬 浮 的 ， 随水 体 运 动 的微 粒后 产 生 反 射作 用 ， 且 Ａ Ｃ Ｄ Ｐ出反射 能量 的多普勒频移 ， 据此计算 出随水体运 动 的微粒现对 于 Ａ Ｃ Ｄ Ｐ的流速 。之后 ， 向河底发射底跟踪声 脉冲 ， 出 Ａ Ｃ 测 Ｄ Ｐ相对于河 底 的运 动速度 ， 后计算 出 随 然 水体运动 的微 粒相对 于河 底 的真实 流速 （ 即水体 流速 ） 。 ＡＣ Ｄ Ｐ在 进 行 流 量 测 验 过 程 中 ， 际测 量 的 区域 为 断 面 的 实 中部 区域 （ 中层 ） 这个 区域 为 Ａ Ｃ ， Ｄ Ｐ实测 区。而在 ４个 边 缘区域内 ， Ｄ Ｐ由于受方 法及 现有技 术 的限 制 ， Ａ Ｃ 存在 着 上下 ４个 盲 区。第 一盲 区是靠 近水 面 （ 表层 ） 的盲 区 ，
１３ 测验 河段 和断 面情 况 ．
潮安站基本 水 尺断 面为 复式 河床 ， 常 蓄水 位 情况 正
下 ， 面 宽 约 为 ７０ ｍ， 起 点 距 ３ 水 ０ 从 ０—３ ０ｍ为 河 流 主 槽 ， ８
ＡＣ Ｄ Ｐ的夹角 ） 。而第三 、 四区域为靠 近河岸两侧 的区域 ， 因其水 深较 浅 ， 测量船 不能 靠近 或仪器 不能保 证在 垂线 上至少 由 １或 ２个 有效单 元 。这 ４个 区域统称 为非 实测 区， 其流速 和流量 要通 过实 测 区数据 外延 估算 。本 次分
走航式ADCP与流速仪法流量测验对比分析
射回来 的声波。得到水体中颗粒物 的运动速度 ， 即为水 体 流 速 ，Ａ Ｃ Ｄ Ｐ通 过 跟 踪 颗 粒 物 的 运 动
（ 称为 “ 跟 踪 ” 所 测 验 的 流 速 是 水 流 相对 于 水 ）
憾 ，测 量 的精 度有 待 于多次 比测试 验 ，在 积 累较
第 ６期 （ 总第 ３ ７ ） ３期
［ 文章编号 】１ ９— ８ ６ （０ ０ ６－ ０ １ ０ ０ ２ ４ ２ １ ）０ ０ ８ — ３ ０
吉 林
水
利
２１ ０ ０年 ６月
走航式 Ａ Ｃ Ｄ Ｐ与 流 速 仪 法 流 量 测 验 对 比分 析
王宪宝 ，柳艳锋
（ ．伊 犁水文 水 资源勘 测局 ，新 疆 １
况 固定 的均匀 布设测 速 垂线 ，在 每 个断 面 内测 验
飞
垂线上进行一点或多 点流速 ，通 常使用一点法
起 点距Ｄ （ ） ｍ
（． ）进 行 流 量 测 验 ，相 对 测 点 较 为 固 定 ，再 ０６
对部分面积进行流量计算 ，最后加和的测验断面
图 １ 部分 面积计算 划分
的流量 ，部分 计算 断面划 分见 图 １ 。而走航 式 Ａ Ｃ 最多能将单条测深垂线分为 １８ ＤＰ ２ 个测验单
多的经 验后 ，根据 Ａ Ｃ Ｄ Ｐ的技术 要 求 ，不 断 的探 索 、发 展 以求 更 加 全 面 的掌 握 Ａ Ｃ Ｄ Ｐ使 用 技 巧 ，
Ａ Ｃ Ｄ Ｐ的速度 ，在 “ 跟 踪 ” 测验 的相对 速 度扣 水
除走 航 式 Ａ Ｃ Ｄ Ｐ的速 度 （ 动 速 度 ） 后 即 得 到 移
［ 中图分类 号】
ADCP与LS68流速仪明渠测流对比分析
ADCP与LS68流速仪明渠测流对比分析王世界【摘要】基于ADCP和LS68型流速仪的工作原理,选取国家水资源监控能力项目中已率定出水位流量关系的浑北灌区,将两仪器同步进行流量施测,对比分析流量、测流历时等实测数据的特点,进而论证ADCP的高效性和准确性.【期刊名称】《吉林水利》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】3页(P46-48)【关键词】ADCP测流;流速;流量;浑北灌区【作者】王世界【作者单位】辽宁省沈阳水文局,辽宁沈阳 110043【正文语种】中文【中图分类】P332.41 明渠基本情况沈阳市浑北灌区东起于天柱山脚下汪家乡陵前堡村，西至新民市车古营子水库，北达解放乡陆家窝堡，南到沙岭镇，其辖区涵盖洪区的8个乡镇，2个国营农场，新民市的2个乡镇，总土地面积达42.75万亩，其中耕地面积为36.60万亩。
设计灌溉面积22.70万亩，有效灌溉面积21.40万亩。
灌区总干渠1条，总长为26.00km，自东陵渠首起至三面闸；干渠2条，总长20.68km，其中南干4.10km，北干长16.58km；分干2条渠，总长27.50km。
2018年实际灌溉面积4.00万亩。
图1 浑北灌区取水流向示意图图2 浑北灌区测流断面图图3 灌区渠道及水位计浑北灌区为国家级水资源监控能力沈阳市农业灌溉取水口水位流量关系法监控灌区，已于2016—2017年在渠道引水期间，在不同水位级进行流量施测，建立了水位-流量关系，率定出了水位—流量关系线，再根据率定出的水位-流量关系线推算流量。
浑北灌区取用水流向情况见图1，测流断面选取在通行桥下游，测流断面为固化断面，断面地形见图2，灌区渠道及水位流量计见图3。
2 仪器参数情况LS68型流速仪使用于漂浮物较少流速不太大的河流，它的优点是结构简单，使用维修方便，迎合流向好。
在测船上测流时，采用悬索安装，在水文缆道上测流时，可用专用挂杆安装，它是测流的主要传统仪器，使用最为广泛。
ADCP流速及流量测量原理
随着海洋资源的开发利用，ADCP 在海洋工程、海洋观测和海洋能 源等领域的应用前景广阔。
环保监测
利用ADCP对水流、水温和水质等 进行实时监测，为环保部门提供准 确的数据支持。
农业灌溉
在农业灌溉领域，ADCP可用于测 量灌溉水的流量和流速，优化灌溉 方案，提高水资源利用效率。
未来展望
跨界融合
声学多普勒流速仪（ADCP）工作原理
ADCP主要由换能器、电子设 备、和数据存储器等组成。
换能器负责发射和接收声波 信号，电子设备处理接收到 的声波信号，数据存储器用
于存储测量数据。
ADCP通过向水体中发射声波 并接收反射或散射回来的声波 信号，利用多普勒效应计算出
流速。
流速测量的影响因素
悬浮颗粒浓度
声波发射
声波接收
流速计算
流量计算
利用声学多普勒效应，通 过测量声波在流体中传播 时因流体流速引起的频率 变化来推算流体的流速和 流量。
ADCP向流体中发射声波， 声波遇到流体中的颗粒或 障碍物后发生散射。
ADCP接收散射回来的声波 ，并分析声波频率的变化 。
根据声波频率的变化，结 合声波传播速度和流体物 理性质，计算出流体的流 速。
河流流速及流量测量
河流流速测量
ADCP通过向河水中发射声波，利用声波在水中的传播速度差异，测量水流的垂 直和水平方向速度分量，从而得到河流的实时流速。
河流流量测量
基于流速和断面面积，ADCP通过测量河流的断面面积，结合流速数据，计算河 流的流量。
海洋流速及流量测量
海洋流速测量
在海洋环境中，ADCP通过向海水发 射声波，利用声波在水中的传播速度 差异，测量海水的流速。
ADCP流速及流量测量原 理
南宁ADCP比测报告
附件：南宁(三)站声学多普勒流速剖面仪与常规流速仪比测资料分析成果南宁(三)站于2004年6月上旬配置了RS-1000型走航式多普勒流速剖面仪，并于2004年6月至2005年6月与常规流速仪进行了比测，根据(水文站[2004])30号)《广西壮族自治区水文水资源局走航式多普勒流速剖面仪与常规流速仪比测工作暂行规定》的通知要求，现将比测资料分析如下：1、基本情况南宁(三)站使用的声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是由YSI/SonTek公司生产的走航式多普勒流速剖面仪(RS—1000型)，仪器安装在该站测船的右舷，距离船首约3米，离船体0.5米。
由于是金属船体，在比测之前做了罗盘校正工作，ADCP换能器入水深度为0.2m，仪器轴线垂直向下, 多普勒流速剖面仪的安装、使用情况符合有关规定要求。
2、ADCP主要技术参数RS—1000型ADCP主要技术参数。
工作频率：1000 kHz；换能器发射角：25°；测速范围：±0.01～±10.0 m/s(水平方向)；速度分辨率：0.25 cm/s；测深范围：1.2～40 m；盲区：0.5 m；深度单元厚度：1.0 m；深度单元个数：20～25；声速：1520.9 m/s；水体温度：20.0°；水体含盐度：34.5 ppt；3、比测情况每次比测时，先用ACDP来回一趟施测两次流量作为一组流量，两次流量误差应小于5.0%，然后，用常规流速仪施测一次流量，最后再用ADCP来回一趟得两次流量，误差也应小于5.0%，若前后4次流量值的变幅不大于平均值的10.0%，则取该平均值作为ADCP测定的流量，与常规流速仪测定的流量进行比较分析。
ADCP比测位置在流速仪测流断面处，测船尽可能沿着测流断面线匀速横渡施测，测验时测船平均速度力求小于或等于水流流速；流速仪测流采用常测法，每条垂线用0.2、0.8水深两点测速。
ADCP换能器入水深度为0.2m，入水深度虽较小，但测流过程中不发生换能器露出水面，产生“空蚀”现象，从而保证了测验精度。
ADCP剖面流速仪的比测应用分析
ADCP剖面流速仪的比测应用分析摘要：ADCP剖面流速仪是由美国引进的一种河道断面流量测量仪器，具有重量轻，易于操作、工作稳定、测验速度快等诸多优点。
2004年，上级为黄委小浪底水文站配发该仪器一台，该仪器与传统的流量测量仪器流速仪的比测分析成为正式投入应用的先决条件。
关键词：ADCP，流速仪，比测分析黄委会小浪底水文站位于河南省济源市坡头乡泰山村，建站于1955年4月，流域集水面积694221km2，距黄河口距离892km，是小浪底水库的出库控制站，属国家重要水文站，担负着长期收集水资源资料和提供雨水情信息的重要任务。
2004年，上级给小浪底水文站配置ADCP剖面流速仪一台，经过多年比测实验和分析，目前，在2000m3/s以下流量级，该仪器测验数据精度符合有关规范要求，已经作为正式资料应用。
现对该仪器应用几年以来流量在2000m3/s以上的实测资料和流速仪实测资料进行对比分析，确定在2000m3/s以上流量情况下，该仪器测验资料是否符合有关规范精度要求。
一、实验内容与资料收集方法1、实验分析内容现选取2004年至2008年共四年流量在2000m3/s以上的ADCP剖面流速仪与流速仪实测资料进行对比分析，根据该仪器与流速仪法精度误差情况，以确定该仪器在2000m3/s以上时在该站是否适用。
2、资料收集方法（1）流速仪法：主要采用黄测B201吊船，400kg铅鱼悬挂ls25—3型流速仪进行施测。
测验方法采用常测法，100秒历时，人工记数、手工操作。
（2）ADCP法：将ADCP悬挂于冲锋舟或黄测B201吊船一侧1米以外，由船带ADCP沿断面横向移动，测得断面流量等数据。
施测断面位置一般设在流量测验断面下游的10米到60米范围的河段内，每次施测两个测回，要求每半测回流量值与平均值的偏差不大于5%，计算其平均值作为ADCP同步所施测的流量。
二：比测分析使用的仪器设备情况1、流速仪法吊船过河缆1992年7月建成投产，两岸均为自立式钢塔，左岸钢塔高3.5m，右岸钢塔高30m，主跨788m，主缆为上下平行双缆结构，直径31 mm ，最大荷载时最低点高度157.56m，设计最高应用水位156.00m。
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多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析摘要:随着时代的发展,水文仪器已进入高科技时代,ADCP即多普勒流速剖面仪是目前测量江河流量的最高端产品,但任何仪器设备都不是万能的,对于操作者来说将提出更高的要求。
本文通过与流速仪法对比分析,总结出了利用两种不同的方法所存在的差异,对于同行业使用ADCP测流具有一定的参考价值。
关键词:ADCP 流速仪对比分析
1 情况简介
松花江(六)站是松花江控制站,也是国家重要水文站。
该站位于吉林省德惠市松花江镇,设立于1923年1月,最初站名为松花江铁桥;1933年11月更改站名为松花江; 1966年6月经过几次迁移,最后为目前的松花江(六)水文站,集水面积51500km2。
畅流期采用牵船索人工摆舵船上测流。
该站ADCP于2008年就已经配置到位,近几年来一直在进行对比及操作训练,目前该站人员已经能够对ADCP进行熟练操作和使用,对比数据经计算分析合理可靠,具备投入使用的条件。
ADCP是利用多普勒效应原理进行流速测量。
ADCP因其原理的优越性,突破传统机械转动为基础的传感流速仪,用声波换能器作传感器,换能器发射声脉冲波,声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗
粒、浮游生物等反散射体反散射,由换能器接收信号,经测定多普勒频移而测算出流速。
ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。
目前被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。
与传统的人工船测,桥测,缆道测量,和涉水测量的基本原理一样:在测流断面上布设多条垂线,在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速,但ADCP所测的垂线可以很多,每条垂线上的测点也很多。
2 对比分析的目的
通过对比ADCP测流与常规流速仪测流数据,分析之间存在差异的原因,可以尽量减少由于操作不当产生的误差,以便ADCP在本站更好地投入应用。
同时还可以解决本站由于偏角测量引起的流量改正等一系列问题。
3 对比时间及方式
本次对比共分为冰期和畅流期两个阶段,冰期采用定点测量的方式,畅流期采取走航的方式。
2008年汛期ADCP在松花江站进行了试运行,当年年末针对冰期松花江流量上下游不合理进行了定点测量,同
流速仪进行了对比分析。
2009年畅流期,又进行了5次对比分析,测时水位分别为:90.06m、89.88m、89.36m、89.84m、89.40m。
流速仪测流采用30公斤铅鱼悬吊流速仪,测深采用铅鱼悬索测深,起点距定位采用读距索。
4 仪器类型
松花江站配备的ADCP为美国RAI公司生产骏马系列1200khz 四波速声学多普勒流速剖面仪,流速仪选用重庆产LS68型流速仪,仪器公式为V=0.6713n+0.0035。
5 测流对比分析
5.1 冰期对比分析结果
2009年1月14日和2月28日分别进行了2次冰期ADCP对比分析,见表5.1,通过对比分析,ADCP四次测流结果算术平均为350m3/s,单次相对偏差均小于5%,测流结果符合要求。
流速仪第1次在不加偏角改正的情况下2次流量平均为326m3/s,进行偏角改正后平均流量为261m3/s,由以上两组数据说明,冰期测流在不加偏角校正的情况下与ADCP测流结果偏差较小,相对偏差为4.17%,而通过偏角修正,相对偏差较大达到34.2%。
由此可见,冰期测验使用流速仪在数据处理时不加
偏角修正数据较为合理。
5.2 畅流期对比分析结果
2009年畅流期间共计对比分析了5次,分别为全年流量测次的17次、19次、22次、33次和34次,ADCP对比分析10次。
第一次流速仪测流结果为531m3/s(采用ADCP测流时水位上涨了0.02m,通过水位流量关系线查得90.08m时流量为540m3/s),ADCP测流2次平均为562m3/s,相对偏差为4.07%;第二次流速仪测流结果为465m3/s,ADCP 测流2次平均为459m3/s,相对偏差为3.76%;第三次流速仪测流结果为287m3/s,ADCP测流为290m3/s(结果有一次偏差较大,未做2次平均),相对偏差为1.05%;第四次流速仪测流结果为443m3/s,ADCP测流2次平均为452m3/s,相对偏差为 1.92%;第五次流速仪测流结果为296m3/s,ADCP测流2次平均为306m3/s,相对偏差为3.38%。
5.3 畅流期对比相关性分析
通过对以上5次流量对比所得数据分析,ADCP与流速仪测流相关性较好,相关系数为1.0081。
5次流量相对偏差均小于5%,平均偏差为2.84%。
5.4 误差分析
从对比数据结果分析,采用ADCP测流较流速仪略有偏大,其主要原因是由于受到流速仪测流布设垂线的局限性,不可避免的会产生断
面切割现象,使得所测的面积偏小,而采用走航式ADCP测流则避免了面积所产生的误差,因此ADCP测流较流速仪测流结果偏大是合理的。
6 结语
通过冰期及畅流期流量对比分析,冰期在不加偏角改正的情况下,流量相差较小,相对偏差为4.17%,畅流期平均相对偏差为2.84%,单次最大偏差均在5%以内。
因此通过对比分析,ADCP与流速仪测流偏差较小,二者之间误差均小于10％,符合水文测验规范的要求。
ADCP投入使用的条件已经成熟。
但在使用的过程中,应该注意以下问题:
(1)应熟练掌握ADCP参数配置以及换能器吃水深、岸边距等变量设置,否则对流量影响较大。
(2)作业船航速是影响流量测量精度的重要因素,且可以由测量者控制。
航速越低,流量测量误差越小,一般航速可以控制在0.5～1.0m/s 之间。
河面越宽、河流流速越大、系统频率越高、系统发射速率越快,其流量的测量误差就越小。
(3)除此之外,由于采用ADCP测流无法布设测沙垂线,因此建议悬移质输沙率测验采用全断面混合法。
(4)ADCP在冰期由于定点测流无法使用无线方式,操作较为不便,因此建议仍然使用流速仪测流,且计算时不加偏角改正。
(5)在测流前,进行接线安装时,一定要严格按照规定进行连接,特别是蓄电池的正负极不要接错,否则将会烧毁有关电器元件。
(6)每次插ADCP上的插头时,要抹一点硅脂,硅脂不能太多,也不能太少,插好ADCP上的插头后,要锁好锁圈,而在拔下插头前,一定要先松开锁圈。
(7)拆装时,一定要给换能器戴好保护帽,换能器也不能承受强烈震动和敲击,换能器表面要注意保护,不能划伤。