声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在
长江河道水文测验中的应用推广
——东方造船股份有限公司枞阳造船基地项目水文测验
陈尚林、李钦荣、李强、汪鹤卫、孔汪洋
（安徽省长江河道管理局测绘院，安徽，芜湖，243000）
摘要：
ADCP在长江河道工程及非工程水文测验中的使用日益频繁，测验技术日趋成熟，资料的处理技术上也见仁见智。本文就ADCP使用中遇到的一些技术问题及处理方法提出来与业内人士进行探讨，内容包括外接罗经的使用、外接GPS的使用、数据处理技术等。
关键词： ADCP 水文测验外部罗经数据处理流速流向计算
1．引言
ADCP是英文ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILES的缩写，中文译为声学多普勒流速剖面仪，该仪器投入使用在八十年代，九十年代随着电子技术及计算机技术的发展而得到迅速发展，目前它已被广泛地应用在我国沿海内河湖泊的水文测验中，正在逐步取代老式常规法的主要水文测验仪器旋浆式流速流向仪。
2．特点介绍
船用多功能声学多普勤流速剖面仪（简称多功能ADCP或MADCP）主要功能是测量三维流场剖面，同时还兼有测量悬浮泥沙浓度的功能，主要应用领域是海洋监测，环境保护，海洋开发和航道建设等方面（见图1）。 ADCP被公认是当今最主要的测流手段。多功能ADCP 采用专用学多普勤原理，用声波遥测水流的速度，对流场不产生干扰，而且能够在航行过程中测量流速剖面，可快速地获得一个水域的流场断面。与常规的单点式海流计相比，具有测量精度高，快速，高效，
省时省力等优点。多功能ADCP采用了宽带和窄带两种测流技术，能适应各种复杂的流场。多功能ADCP能够在测量流量速剖面的同时测量悬浮物浓度剖面，是研究泥沙迁移规律，计算输沙量的十分有效的工具。在国际上未见有相似器的报道，具有独创性。多功能ADCP的操作软件是完全中文界面的，更加适合中国用户，运行于视窗环境，界面友好，使用方便。
（图1）ADCP剖面流速仪及工作示意图
2002年我院引进了一套ADCP，经长期的比测，积累了大量的经验。在此基础上，结合我省十三个河段近两年的水文测验以及过去的资料分析，该设备不但具有能直接测出断面流速，具且有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。
3．存在问题
在发现上述特点的同时，也根据现有相关规范要求总结了一些存在的问题并在实际生产过程中加以了改进，如：
经过实验、咨询发现ADCP因其受含沙量、河床流沙和船体等影响较大,使ADCP在一些条件下的使用受到制约，需外接GPS和磁罗经，才完全能够在实际生产中应用。
仪器商提供的WinRiver软件可以进行数据处理，但要满足一些应用的要求，该软件还是存在不足，我院针对这个问题开发一套数据后处理软件。
4．技术实现
4.1 外部罗经与GPS的使用
在外部磁场干扰下，用外接罗经测定船向时，罗经的安装与标定直接影响测验的精度。
用外接罗经时，其标定分两步走。第一步是外部罗经自身的标定，其目的是让外部罗经记录测量环境的磁参数，即适应环境；第二步是外部罗经与ADCP相对方向的确定，即ADCP正向与罗经正向的差角(当使用ADCP内部罗经时只使用WinRiver软件中的配合进行一次标定即可)。由于ADCP仪器(或软件)说明中的标定方法不太适用，所以采用以下方法：第一步按罗经说明书进行标定，一般是在罗经固定好后让测船正反各转一圈，尽量切割磁场的磁力线，收集有关数据；第二步要借助外接GPS完成，即在一个固定的河流横断面上两个固定点(能够测出该断面的流量)间往返走航测流各一次(两次更好)，回放检查(GGA方式)各航次的流量与流向情况，通过调整WinRiver软件设置中罗经偏移量(见图2)，使得往返流量及流向接近的角度即为采用的偏移量，将该偏移量应用于测验中即可。该方法要求两个航次内水流条件变化不大。如果得不到合适的结果，则说明罗经的安装位置不当或罗经自身标定不成功。当罗经与ADCP的相对方向发生变化时，需进行第二步标定，当测量环境磁场发生变化时，两步均要进行
（图2）WinRiver软件操作界面
其实，在WinRiver软件中，将罗经角度、罗经偏移与磁偏角之和用于仪器坐标到船系坐标或地球坐标的转换，用上述方法时，是否测量磁偏角已无多大意义。而且在WinRiver软件中回放时，当采用底跟踪（Btm）方式时，罗经偏移、磁偏角或二者之和仅影响水流方向而不影响流量；当采用GGA方式时，罗经偏移、磁偏角主或二者之和不仅影响水流方向还要影响流量。所以如果测量结果中住返水流方向值总是相差较大（大于5°），多半是由于罗经安装或标定不当引起。
4.2 数据处理技术
ADCP流量测验的资料，流量、面积、河宽、断面平均流速流向、断面平均水深、断面最大流速、最大水深数据均可从WinRiver回放软件中直接得出。垂线流速流向数据，可在回放界面中人工摘取，处理时一般用剖面流速代替，产生的差异较小，但对多个剖面平均处理时，WinRiver软件在平均位置及平均水深处理上不太令人满意。而且，当数据量较大时，人工挑选工作量大且极为不便，需通过编制相
应的软件进行提取和计算处理。在ADCP数据后处理的算法中，根据
资料提交的要求不同，应采取不同的算法。后处理的数据来源为WinRiver回放软件所产生的ASCII码文本文件。(见图2)
（图3）生成ASCII码文本操作及ASCII码文本格式
在垂线流速的提交方式上，有的要求提交ADCP实测水层单元的流速，有的要求提交垂线上相对水深的资料，涉及到的算法也不尽相同。
4.2.1 垂线位置和水深的确定
ADCP原始数据中记录的位置实际为该剖面的平均位置，一个剖面的跨越宽度一般为1~5m，在提取数据时垂线水深一般用剖面水深代替，垂线的位置数据计算，将回放输出的文本文件中的经纬度数据按高斯正算的方法计算垂线平面坐标，。
若使用平均处理策略，则对水深也进行平均处理，起点距的算法有平均算法和中心线法等，平均计算时又有算术平均和加权平均算法。
4.2.2垂线流速分布函数的确定
WinRiver软件支持的流速插补方法有幂指函数、常数、三次平滑等，缺省为幂指函数。虽然幂指函数与我国常用的对数分布函数有一定的差别，但软件中仅将此函数用于顶层和底层流速的插补计算，
不致产生较大差异，在WinRiver软件中调整幂指数b的值，对流量影响甚微。
4.2.3 有效数据的判别
在回放输出的ASCII文本文件中，各水层单元的数据包括当前水层单元的深度、流速值、流向、东向流速、北向流速、垂向流速、误差流速、波束1反向散射、波束2反向散射、波束3反向散射、波束4反向散射、好的百分数、流量共13个数据。其中流速流向的坏值表示为-32768，反向散射的坏值表示为255，好的面分数坏值为0，流量坏值表示为2147483647。
在提取流速流向资料时，面临三种数据有效性的判别方法：以单元流量有效为判别条件、以单元流速有效为判别条件或以好的百分数为判别条件，在应用时根据流速分布情况选取其中一种。
4.2.4 流速流向计算
当垂线流速资料按ADCP实测水层单元深度提交时，可直接从回放后的输出文件中选取，计算的步骤是先分别计算东向、北向的垂线流速分量的分布数据，再用矢量合成的方法计算垂线流速、流向。在计算各方向的分量时，垂线平均流速的分量按式4.1计算，顶层流速的分量按式4.2计算，顶层流速分量的水深为第一个有效单元以上部分的中心深度，底层流速分量按式4.3计算，底层流速分量的水深为最后一个有效单元以下部分的中心深度，垂线上各水层单元的水深与分量的水深一致，各水层单元的流速为东向分量与北向分量的方和根，按式4.4计算，流向方位角为东向分量与北向分量比值的反正切
值，按式4.5计算。垂线平均流速流向用垂线平均流速分量参照式4.6和式4.7进行计算。
当垂线资料按传统的五点法或六点法资料提交时，则需将水层单元流速通过一定的方法转换为各相对水深(水面、0.2、0.4、0.6、0.8、河底等位置)处的流速，计算步骤上仍然是先算分量，再合成，分量计算的常用做法是：当测点绝对水深在实测的有效水层范围内时，用直线内插计算，当测点绝对水深位置在实测有效水层之外时，可参照顶层及底层流速的算法推求，也可用式4.6(Vmax采用中间实测层的最大流速分量代替)计算，有时也直接将实测的最上层单元流速作为水面流速，将实测的最下层单元流速作为河底流速。水面点的计算水深一般采用0.2-0.5m，河底点的计算水深一般采用河底以0.3-0.5m。分量垂线平均流速一般参照《河流流量测验规范》中的公式进行计算。5．后处理软件简介
ADCP野外测量快捷方便，WinRiver软件具备实用的回放功能，
仪器商还提供了一系列的工具软件进行数据的处理。虽然如此，要满足一些应用的要求，这些软件还是不够的，还需自行开发一些数据后处理软件。我院经过一段时期的应用和实验，针对WinRiver软件在ADCP测验数据处理上的不足，自行开发的ADCP测验数据后处理软件(见图4)，该软件是基于VB平台下开发，为了提高数据的益存性于可比性，故采用数据库形式处理和存储数据，具备断面数据提取、流量计算、流速流向提取、输沙率计算、泥沙分析数据处理等功能，为了保证同一份资料中的流量与流速数据的一致性，该软件选取与WinRiver软件算法一致的策略。
(见图4-1)ADCP测验数据后处理软件操作界面
(见图4-2)ADCP测验数据后处理软件输出成果表格
应用于生产实践中，弥补WinRiver软件数据处理上的欠缺之处，使ADCP更加适合长江水道水文测验的各项要求。
6．实例说明
为了更加详尽真实的说明ADCP在长江河道水文测验中的应用情况，特附上《东方造船股份有限公司枞阳造船基地项目（ADCP）水文测验技术报告》，此项目由长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局委托我院于2007年7月承担实施并完成。项目的整个实施过程，可以充分体现我院利用ADCP实测长江河道水文测验的主要工作流程，请各位专家指正。
7．结束语
随着ADCP这项新技术在水利行业的广泛应用，我们可以切实体会到它给我们的工作带了诸多便捷和高效之处，但在具体应用时就会发现一些问题，通过分析、实验是可以找到行之有效的解决办法的，将理论上的研究与实际应用相结合，才能使ADCP的应用技术不断发展，找到传统与现代测验方法的衔接点，这样ADCP就能够更好的应用于长江河道水文测验工作中。
参考文献
[1] 田淳、刘少华，声学多普勒测流原理及其应用，黄河水利出版社，2003.
[2] 中华人民共和国国家标准《河流流量测验规范》GB50179-93