1、1 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仪从而得到线平均流速。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。ADCP 是英文 Acoustic Durrent Profiler 的缩写。中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。当装备有 ADCP 的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，ADCG 即刻测出河流流量。本文简要介绍 ADCP 和 ADCP 河流流量测量原理和方法。2 ADCP 简介顾名思义，ADCP 是一种
2、利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。与机械式电磁式流速仪不同，ADCP 是一种遥测仪器。即 ADCP 流速测量点不在 ADCP 所处的位置。而且，ADCP 可以测量距其一定范围内的许多点的流速。也就是说，一台 ADCP 可以替代许多台机械式电磁式流速式。为了测量三维流速，ADCP 一般装备有四个（或三个）声换能器。换能器总是安装成与 ADCP 轴线成一定倾角。每个换能器即是发射器对应于一个声束。换能器发射的声波尽可能集中于较窄轴线成一定倾角。每个换能器即是发射器又是接收器。换能器发射的声波尽可能集中于较窄的声束范围内。每一个换能器对应于一个声束。换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被子
3、水体中颗粒物散射回来的声波。假定水体中颗粒物与水体流速相同。当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器聆听到的回疲频率高。当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：式中：Fd 是声学多普勒移；FS 是回波频率；V 是颗粒物沿声方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）C 是声波在水中全会传播速度。ADCP 每个换能器轴线即为一个声束座标。每个换能器测量的流速是水流是水流沿其声束座标方向的速度。任意三个换能器轴线即组成一组相独立的空间声束座标系。另外，ADCP 自身定义有直角坐标系：XYZ。Z 方向与ADCP 轴线方
4、向一致。 ADCP 首先测出沿每一声束座标的流速。然后经过座标转换为 XYZ 座标系下的三维流速。然而 XYZ 是局部座标系。利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据，XYZ 座标下的流速可转换为地球座标系下的三维流速。ADCP 基本上有两种安装方式和应用，一种是安装在固定平台上（如河底或海底）进行定点垂线（或水平）流速分层测量（在海洋水文中称为流速剖面测量）。例如 RDI 公司生产的 “骏马”系列“哨兵” 型 ADCP 的应用。另一种是安装在活动或移动平台上（如调查船上）进行走航流速剖面测量。例如 RDI 公司生产的“骏马 ”系列“瑞江” 牌 ADCP 的应用。ADCP 通过跟踪水体中颗粒物的运
5、动（称为“ 水跟踪 ”）所测量的速度是水流相对于 ADCP（也即 ADCP 安装平台）的速度。当 ADCP 安装在固定平台上（水跟踪“测量的流速即为水流的绝对速度。当 ADCP 安装在船上（移动平台），“ 水跟踪”测量的相对速度中扣除船速（平台的移动速度 0 后才得到水流的绝对速度。有两种方法可以测量船速。第一种方法为“底跟踪”是指 ADCP 通过接收和处理品由河底或海底的回波信号跟踪河底的运动。如果河底或海底没有移动的悬移质，“底跟踪 ”所测量的速度即是船速。第二种方法是利用 GPS 测量船速。由航迹上任意两点的 GPS 座标值可以得到两点间的位移，再除以相对应的即得到船速。一般来说 GPS
6、 方法测船速不如“底跟踪” 方法精确。ADCP 用于河流流量测量已有十年的历史了。RDI 公司的第一代，第二代，和批三代 ADVCP 都有专门为河流流量设计和制造的河流型 ADCP。图 1 显示了“ 骏马”系列“ 瑞江” 牌河流型 ADCP 图片。整个测量系统三个主要部分：以及流量计算。实时显示的数据有流速矢量，水量，航迹，流量等。实时测量结果还可以列表显示。在进行流量测量体的真实流速成则由相对速长减去船速（矢量差）来得到。ADCP 同时还测出水深（类似于声纳测深）。这些数据（包括流速，船速，水深）由电脑在系统操作软件控制下实时采集，处理，并实时计算每一微断面的流量，当作业船沿某断面从河一侧时
7、，即给出河流流量。30ADCP 流量测量原理从理论上讲，ADCP 流量测量原理与传统人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量的基本原理是一样的，都是在测流面上布设多条垂线。在每条垂处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速。只是 ADCP 所测的垂线可以很多，每条垂线上的测线上测点也很多。然而，与传统方法相比，ADCP 方法有如下几点下同：（1） 传统方法是表态方法。即无论是人工船测，桥测，缆道测量，还是涉水测量，仪器总是固定于所测垂线进行测量。ADCP 方法是动态方法。ADCP 在随测量船运动过程中进行测量。（2） 传统方法的测流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。船航行的轨迹可以是斜线或曲线。为了计算流量，ADCP 在走航测量中测量如下数据：（1） 水的相对速度（相对船的速度，由“水跟踪”测出）（2） 船速（由“底跟踪”测出，或由算出）（3） 水深（由河底回波测出，类似于回声测深仪）（4） 船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由 GPS 算出）
