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摘要：20世纪80年代起，声学多普勒流速剖面仪（简称ADCP）广泛应用在河流流量测验中，其高效性带来了流量测验领域的一个革命。但是当河床底部泥沙运动时，会导致ADCP无法获得可靠的船速速度。采用全球定位系统GPS技术解决了“动底”问题，从而得到可靠的ADCP流量结果。
关键字：GPS；ADCP；流量测验；
中图分类号： P228.4 文献标识码： A
1.引言
ADCP是声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiles）的简称。20世纪80年代初，利用ADCP进行河流流量测验的方法开始发展起来。该方法的发明被认为是河流流量测量领域的一次革命。当装备有ADCP的测量船从河流断面的一侧航行至另一侧时，即可测出河流流量，其高效性使得传统的河流流量测验方法被逐步的取代，河流流量测量进入现代化时代。
2.ADCP测量原理
声波源或观察者或两者相對于传输介质运动时，观察者收到的频率和波源的频率就会不相同，这种现象叫做多普勒效应，ADCP正是利用这一物理效应来进行工作的。
假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，当颗粒物的运动方向是接近声源时，收到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的运动方向是背离声源时，收到的回波频率比发射频率低。声学多普勒频移，即回波频率与发射频率之差，有：
(1)
其中，为声学多普勒频移；为回波频率；V是颗粒物沿着声束方向的移动速度（即沿着声束方向的水流速度）；C是声波在水中的传播速度；为波束的垂直倾角。
ADCP流量计算的公式最早由Deines提出(1982)，并在Simpson and Oltmann报告(1993)中有详细的描述。
ADCP基于如下公式计算流量：
(2)
其中，——流量；——沿测船航迹断面面积；——测船航迹断面某微元处流速矢量；——测船航迹上的单位法线矢量；——测船航迹断面上微元面积，由下式确定：
(3)
式中，——垂向微元长度；——时间微元；——测船速度矢量。
流量公式也可写为：
(4)
式中，和分别为x和y方向的流速分量；和为x和y方向的测船速度分量，；为微断面处水深；为呯集合时间平均步长。
3.采用GPS测量船速
要获取河流流量，船速的精确获取不可或缺。但是，河底泥沙在高流速时会随着水流迁移形成推移质运动，俗称“动底”。当出现“动底”时，ADCP底跟踪所测的船速将不准确；ADCP所测流量结果也将与实际流量结果不相符。
解决这个问题的办法就是用全球定位系统GPS来测定船速。具体来说就是通过ADCP测量软件接收GPS 的GGA格式数据，由它算出测船的速度矢量，或是接收GPS中的VTG格式的数据直接得到测船速度矢量。
当船速矢量采用GPS系统来测量时，该矢量是建立在大地坐标之上的。而ADCP所测的水流速度矢量（包括底跟踪法测出的船速矢量）首先是建立在仪器坐标系统之上的，然后通过转换得到大地坐标上结果。当两个系统各自确立的大地坐标有偏差时，则ADCP计算的最终流量结果就会有偏差。
解决步骤是，在测量区域选择风平浪静的天气，测船沿着一定的航向直行，测出底跟踪方式及GPS方式下船速矢量的方向角度值，取两者差的平均值为该区域的磁偏角输入到ADCP中，用以修正该项误差。或是用户直接输入偏角进行误差改正。
4.应用分析
以某ADCP进行测试，采用外接GPS方式测量某河段流量，采集6个测次，测量时间从13:34到16:13。该次测验中，GPS船速采用的是GPVTG中的速度和方向之间计算得出，测试结果如下表所示。
通过分析表中数据可以看出：
1.利用外接GPS测得的各个测次之间的流量误差分别为：0.41%、1.81%、0.31%、0.88%、2.25%、0.33%；
2.测次间的流量误差均在5%的误差范围之内，符合声学多普勒流量测验规范要求，因此可以认为利用GPS代替底跟踪的数据结果是可靠的。
表1 测验结果表格
5.结论
在河流流量测量时，当河底泥沙出现“动底”情况或底跟踪失效时，可采用外接GPS方式获取船速，从而获得可靠的河流流量结果。
参考资料
[1]SL337-2006 声学多普勒流量测验规范[S]，复旦大学出版社，2006年。
[2] 黄河宁，ADCP河流流量测验原理方法[Z],美国亚迪仪器公司，2002.
[3] 田淳，刘少华，声学多普勒测流原理及其应用[M]，黄河水利出版社，2003年。
[4] 陈力平，方波，季成康，应用GPS技术改正ADCP测量误差[J],人民长江，2002年。
作者简介：
刘朋姣，女，1984年10月出生，汉族，陕西西安
单位：上海地海仪器有限公司
专业：大地测量学与测绘工程，硕士
关键字：GPS；ADCP；流量测验；
中图分类号： P228.4 文献标识码： A
1.引言
ADCP是声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiles）的简称。20世纪80年代初，利用ADCP进行河流流量测验的方法开始发展起来。该方法的发明被认为是河流流量测量领域的一次革命。当装备有ADCP的测量船从河流断面的一侧航行至另一侧时，即可测出河流流量，其高效性使得传统的河流流量测验方法被逐步的取代，河流流量测量进入现代化时代。
2.ADCP测量原理
声波源或观察者或两者相對于传输介质运动时，观察者收到的频率和波源的频率就会不相同，这种现象叫做多普勒效应，ADCP正是利用这一物理效应来进行工作的。
假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，当颗粒物的运动方向是接近声源时，收到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的运动方向是背离声源时，收到的回波频率比发射频率低。声学多普勒频移，即回波频率与发射频率之差，有：
(1)
其中，为声学多普勒频移；为回波频率；V是颗粒物沿着声束方向的移动速度（即沿着声束方向的水流速度）；C是声波在水中的传播速度；为波束的垂直倾角。
ADCP流量计算的公式最早由Deines提出(1982)，并在Simpson and Oltmann报告(1993)中有详细的描述。
ADCP基于如下公式计算流量：
(2)
其中，——流量；——沿测船航迹断面面积；——测船航迹断面某微元处流速矢量；——测船航迹上的单位法线矢量；——测船航迹断面上微元面积，由下式确定：
(3)
式中，——垂向微元长度；——时间微元；——测船速度矢量。
流量公式也可写为：
(4)
式中，和分别为x和y方向的流速分量；和为x和y方向的测船速度分量，；为微断面处水深；为呯集合时间平均步长。
3.采用GPS测量船速
要获取河流流量，船速的精确获取不可或缺。但是，河底泥沙在高流速时会随着水流迁移形成推移质运动，俗称“动底”。当出现“动底”时，ADCP底跟踪所测的船速将不准确；ADCP所测流量结果也将与实际流量结果不相符。
解决这个问题的办法就是用全球定位系统GPS来测定船速。具体来说就是通过ADCP测量软件接收GPS 的GGA格式数据，由它算出测船的速度矢量，或是接收GPS中的VTG格式的数据直接得到测船速度矢量。
当船速矢量采用GPS系统来测量时，该矢量是建立在大地坐标之上的。而ADCP所测的水流速度矢量（包括底跟踪法测出的船速矢量）首先是建立在仪器坐标系统之上的，然后通过转换得到大地坐标上结果。当两个系统各自确立的大地坐标有偏差时，则ADCP计算的最终流量结果就会有偏差。
解决步骤是，在测量区域选择风平浪静的天气，测船沿着一定的航向直行，测出底跟踪方式及GPS方式下船速矢量的方向角度值，取两者差的平均值为该区域的磁偏角输入到ADCP中，用以修正该项误差。或是用户直接输入偏角进行误差改正。
4.应用分析
以某ADCP进行测试，采用外接GPS方式测量某河段流量，采集6个测次，测量时间从13:34到16:13。该次测验中，GPS船速采用的是GPVTG中的速度和方向之间计算得出，测试结果如下表所示。
通过分析表中数据可以看出：
1.利用外接GPS测得的各个测次之间的流量误差分别为：0.41%、1.81%、0.31%、0.88%、2.25%、0.33%；
2.测次间的流量误差均在5%的误差范围之内，符合声学多普勒流量测验规范要求，因此可以认为利用GPS代替底跟踪的数据结果是可靠的。
表1 测验结果表格
5.结论
在河流流量测量时，当河底泥沙出现“动底”情况或底跟踪失效时，可采用外接GPS方式获取船速，从而获得可靠的河流流量结果。
参考资料
[1]SL337-2006 声学多普勒流量测验规范[S]，复旦大学出版社，2006年。
[2] 黄河宁，ADCP河流流量测验原理方法[Z],美国亚迪仪器公司，2002.
[3] 田淳，刘少华，声学多普勒测流原理及其应用[M]，黄河水利出版社，2003年。
[4] 陈力平，方波，季成康，应用GPS技术改正ADCP测量误差[J],人民长江，2002年。
作者简介：
刘朋姣，女，1984年10月出生，汉族，陕西西安
单位：上海地海仪器有限公司
专业：大地测量学与测绘工程，硕士