明渠截流水文监测中的高新技术及应用(1)程力(3)

4 adcp配合gps的测流系统

在三峡工程明渠截流水文监测中，要求对截流戗堤堤头流速及明渠和导流底孔过流量进行实时监测。随底孔开启数量变化或戗堤进占，导流明渠和底孔过流量相应发生变化。显然，常规流量测验方法无法达到测验历时最小的要求。另外，明渠内率乱的流态、戗堤堤头较高的流速、禁航前明渠必须保证通航及高强度进占期要求24小时监测等因素，确定了测船不可能在明渠内进行抛锚定位测量。

因此，在三峡明渠截流的水文监测中，必须开发应用一种新的测量系统。利用全球卫星定位系统（gps）对测船进行定位，多普勒声学流速剖面仪（adcp）进行流速（量）测量的流量测量系统基于此而开发，满足测验历时短、定位方便、全天候作业的要求，在明渠截流的流速和分流比测验中发挥了重要作用。

4.1 gps和adcp简介

全球卫星定位系统（gps）是通过接受运行在固定轨道上的卫星信号，从而求出地面点位置的一种定位技术，目前已广泛应用于航空、军事、交通、测量等各个领域。gps的全天候、点间无需通视等特点被充分利用在控制测量中，在水下地形测量时可利用其实时差分模式可以对测点进行连续跟踪定位。高精度的gps接收机已成为测量单位的必备设备。

adcp （声学多普勒流速剖面仪）是利用声学多普勒效应的基本原理，用声学换能器作传感器，只需将探头置于水面下一定深度处，即可测得垂线流速分布，具有测验历时短、测速范围大、不扰动流场等特点，是目前世界上最为先进的水文测验仪器之一。

adcp可分为三个主要的功能系统：adcp传感器（或称换能器）系统，负责信号的发射、接收及相应的处理；数据采集系统，负责数据采集、处理、记录和存储；导航系统，负责导航定位及速度数据的补偿校正系统。

adcp的测流原理：该仪器通过按一定规则排列的四个声波换能器，其探头向水体中发射脉冲声波，然后接收来自水体中挟载的浮游生物、泥沙小颗粒等反射体的反射信号，依据反射信号的多普勒频移计算出水相对于adcp的运动速度矢量；利用测底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量，取两者矢量差值就是要测量的流速矢量。用航行速度乘以时间可计算出水面宽。有了水深、水面宽和流速，即可计算出流量。

4.2 adcp配合gps的测流系统

系统由gps参考台、gps流动台、adcp、计算机、hypack及winver两个测量软件组成。

测量作业时，gps流动台天线与adcp置于同一位置，通过数传电台接收参考台的数据，利用实时差分模式对adcp测线（点）进行定位。

当测量已知断面时，将断面端点坐标事先置于hypack软件，屏幕上即可显示断面位置和测船现在位置，测船可根据指示准确到达断面并采用adcp横渡法测量断面流量；

利用该系统进行垂线流速测量时，当adcp开始收集数据时，同时记录测线坐标。

4.3 系统在明渠截流中的应用

截流戗堤堤头流速分布、龙口最大流速、导流底孔分流量是三峡工程明渠截流必须的流速流量资料。实测时共布设了9条测速垂线和5个流量测验断面。在戗堤高强度进占期和龙口合龙期，要求每半小时测量一次垂线流速和分流比。若采用常规测量方法，根本无法实现。以gps、adcp等组成的全球定位流量测量系统较好地完成了测验任务。

⑴ 分流比观测

在茅坪（一）、导流底孔上、明渠坝轴线三处分别设q01～q03断面，利用导航软件hapack控制测船进行定位，adcp横渡法测验流量。每断面往返各施测一次，符合要求时取两次均值作为断面流量。

从9月15日导流底孔开始过流至11月6日龙口合龙，共施测分流比81次，渗流量7次。

⑵ 流速分布测验

明渠截流戗堤进占过程中，在上、下戗堤堤头各布设了3个断面，每断面上设测速垂线3条。测量时，通过hypack软件记录测线坐标，adcp采集数据历时为120秒，经过数据处理即可求出垂线分层流速。

adcp配合gps的测流系统具有测验历时短、精度高、定位准确方便、全天候作业的特点，避免了常规法测船定位、测速历时长等缺点，在三峡明渠截流过程中收集了大量实时准确的流速和流量资料。

实际测验过程中应注意在选取断面时避免大片回流区或同一断面上有几处回流区。

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