三、走航式多普勒流量计

（一） 原理与构造

ADCP配有四个换能器（见图4-2），换能器与ADCP轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器，又是接收器。

测流时，安装在船上的换能器在运动中向河底发射声波。通过时间控制，将每个垂线的水深分成N个等深单元（测验单元），分别测得各等深单元的流速。此速度是相对于换能器的相对速度，相对速度中扣除测流船移动速度即得到水流的绝对速度。各垂线的各个测验单元流速的平均值即为该垂线的平均流速。河流的水面宽度和水深数据是用“底跟踪”功能完成的。“底跟踪”是指ADCP按照给定的参数，按一定的时间间隔发射底部跟踪脉冲，接收来自河底的反散射信号，由此计算出测船航行速度和水深，水面宽度为测船航速与时间的乘积。测船航行速度也可利用GPS技术求出，由航迹上任意两点的GPS坐标值可以得到两点间的位移，再除以相应的时间步长即得到测船移动速度。根据水面宽度、水深及绝对流速即可计算出流量。

图4-2 ADCP外形图

（二）流量计算

进行断面流量测量时，实际测量的是中部区域。两岸边、上下盲区的流速是测不出来的。靠近岸边的区域，因其水深较浅，测船不能靠近，或ADCP 不能保证在垂线上至少有1个或2个有效测验单元，无法实测。靠近水面区域，因换能器由发射状态转变为接收状态时，需要一个时段，换能器面附近水域的发射信号已经返回时，换能器尚未转变为接收状态，来不及接受这些信息，因此形成盲区。其厚度大约为ADCP 换能器入水深度；靠近河底区域，受河底漫反射影响，噪声较大，声波检测失真，也测不出来流速。盲区厚度取决于ADCP换能器轴线倾角（与ADCP轴线夹角）。例如RDI公司“瑞江”牌ADCP换能器轴线倾角20°相应的盲区厚度大约为水深的6%。盲区部分的流量需要应用某种数学模型计算，《声学多普勒流量测验规范》（SL 337—2006）有各个部分的流量计算方法。

1.中部平均流量计算

每一微断面中部平均流速由声学多普勒流速仪直接测出，其值为所有有效单元所测流速的平均值。x方向分量由式（4-4）算出（y方向分量类似）。测量起点和终点之间断面的中部流量由式（4-5）计算。

式中 v_xM——中部平均流速x方向分量；

v_yM——中部平均流速y方向分量；

n——微断面中有效单元的数目；

u_xj——单元j中所测的x方向流速分量；

v_by——测船船速y向矢量；

v_bx——测船船速x向矢量；

m——断面内中的微小断面数；

i——测量断面数；

Z ₁——河底至靠近河底单元（未受河底干扰）的高度；

Z ₂——河底至第一单元的高度；

Δt——测量微小断面的平均时间。

2.岸边流量估算

岸边区域平均流速及流量用式（4-6）及式（4-7）计算：式中 v_a——岸边区域平均流速；

v_m——起点微断面（或终点微断面）内的深度平均流速，该值应将测船稳定在起点断面施测4～5组数据，然后再将测船稳定在终点断面施测4～5组数据，这样测得的流速数据比较准确；

α——岸边流速系数；

Q_NB——岸边流量；

A_a——岸边区域面积。

流量的精确估算要求正确选用岸边流速系数和岸边区域面积的准确测量。岸边流速系数可通过比测确定，也可根据断面形状按照表4-1确定。

3.上下盲区流量估算

可用幂函数流速剖面的假定来推算表层或底层平均流速，然后再估算上下盲区的流量。

明渠均匀流速在垂向上的分布由式（4-8）计算：

式中 u——离河底一定高度处的流速；

u _*——河底摩阻流速；

z ₀——河底粗糙高度；

b——经常系数（通常取1/6）。

表层流量由式（4-9）计算：

底层流量由式（4-10）计算：

全断面的流量是中部流量、上下盲区及岸边流量的总和。测流时流量计算是由ADCP 提供的软件自动完成的。

（三） 安装与测验

ADCP可安装在船头、船舷的一侧或穿透船体的竖井内。应保证仪器纵轴垂直，离船弦的距离宜大于0.5m（木质测船）或1.0m（铁磁质测船）。当安装在铁磁质测船的竖井中时，应安装外接罗经。仪器探头的入水深度应保证整个测验过程探头不会露出水面，而且船体不应影响信号的发射和接收。安装支架应结构简单、安全可靠、升降转动灵活，宜采用非磁性材料制作。

GPS 天线宜安装在ADCP 正上方平面位置1.0m 以内；外部罗经的安装指向应与船首方向一致，当为磁罗经时，安装位置离船上任何铁磁性物体的距离不小于1.0m；测深仪换能器宜垂向安装在ADCP 同侧，测流时换能器不应露出水面。

测验流量时，测船应沿预定断面航行，船首不应有大的摆动。测量时，测船应从断面下游驶入断面，在接近起点位置时，航行速度沿断面保持正常速度，直至终点。航行速度宜接近或略小于水流速度。当流量相对稳定时，可进行两个测回断面流量测量，取均值作为实测流量值。对于河口区宽阔断面，同一断面宜采用多台仪器分多个子断面同步测验。