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四、仪器与准备 （五）辅助设备 设备的布放与安装 测量的现场各不相同，需要选择最佳的ADCP布放方式。现场考虑的因素包括流速、表层波浪这样的水力特性，以及拖放方式如船用斜坡、桥梁或缆道。三种常见的ADCP安装方式为人工船、拖曳船（三体船）和遥控船。 人工船 ADCP可以安装在人工船的两侧、船头附近或人工船测量井内。可参考表6查看人工船的优势和劣势。为了使ADCP罗经误差最小化，ADCP不要安装在任何含铁金属或有强磁场源的物体附近，如发电机、电池、发动机。经验法则指出，ADCP不能安装在距离铁金属物体小于该物体尺寸的地方。这是一般法则，但是不同金属会引起不同的磁场变化，即使是不锈钢，也因为钢材料中含有铁而引起大量的变化。 表6 人工船安装ADCP的优点和缺点
ADCP可以通过安装件安装在人工船上，或者安装在人工船拖拽的三体船上。ADCP不应安装在受螺旋桨推进或者尾流影响的位置，除非船的尾流和潜在推动影响最小，比如使用皮艇、拖拽三体船方式。 人工船安装ADCP应严格遵循以下几点： ADCP换能器应安装于不受船体影响的位置，周围无遮挡； 将ADCP安装在固定的垂直位置，使换能器始终浸没在水中，同时尽量减少换能器下方的气泡； 允许用户轻松调节ADCP安装深度； 在不改变ADCP方向的情况下，足够牢固并承受由水流和船速引起的水力； 安装件需要由非铁金属材料组成（包括所有的螺母、螺钉、和垫圈；使用磁铁方法来检查铁金属）； 可以调节来适应船体的纵摇横摇； 需要一条安全缆绳，当ADCP安装件出现意外时可以进行保护。 4 j4 I3 w. ~: Y* ^# R8 V
人工船拖曳三体船应遵循以下几点： 有关各种ADCP安装的照片，请查阅USGS公开文件报告01-10（Simpson, 2002, p.58-69），或者访问USGS水声学网站。 拖曳船（三体船） 三体船为小型船（长度通常小于2米），可通过绳子或系缆连接，可从桥上、人工船、固定缆道、或者河边临时架起的缆道上布放。三体船安装ADCP的要求需要满足上一节提到的条件。三体船需要有防水的密封舱来放置电源和无线电电台。另外一台岸上的无线电电台帮助ADCP与计算机通讯，无需电缆连接。电台通过数据采集软件与ADCP通信。电台要求坚固、防水，需要有足够的数据传输能力满足ADCP的最大数据传输。Rehmel和其他人（2002）对三体船从项目研究演变成商业化产品的过程进行了描述。 StreamPro ADCP专门配有一款三体船。标准的StreamPro三体船有两种安装换能器的方式。船内安装为推荐的方式，可以减少拖拉强度，减少纵摇的影响。另一种是在扩展位置安装，可用于非常浅的水域，因为它允许较小的换能器吃水，但模型模拟表明可能会增加流动干扰。当换能器安装在扩展位置的时候，船航行地要非常平稳，几乎没有纵摇和横摇，以便在换能器处于伸展位置时利用较小的吃水，否则换能器就有可能露出水面。标准的StreamPro船有一根结实的拖拽缆，可以在各个角度安装。如果船的前部抬起向上，拖拽缆角度可以设定的大一些，可以减少船的纵摇。但StreamPro标准船在高流速区域（>0.91米/秒）的时候，必须小心设置拖缆的角度，否则可能会引起翻船，或者船没入水下。拖缆于水表的角度越大，船没入水下的概率越大。如果三体船已经开始没入水下了，那么最好的方法是尽量放出更多的拖缆。如果拉紧拖缆会使船以更快的速度下潜。有关其他品牌的ADCP三体船，包括用于流速大于1.5米/秒的三体船，可以从ADCP厂家或者第三方购买。
图5 用于流量测量的各种拖拽船 拖曳三体船已成为常见的测量方法（图5）。当使用三体船测量时，需要考虑一些事项。三体船可以在多种场合下使用，但为了方便起见，主要是在桥的下游端使用。在高速水流的情况下，桥墩会引起大量湍流，尤其是有大量碎片物体在桥墩沉积并且桥墩斜对水流时。通过释放拖缆，增大三体船与桥的距离可以减少因桥墩引起的湍流影响，但是通过长拖缆来控制船的难度较大。需要特别注意截面，应尽量减小大型涡流对测量的影响。桥下游段测流也可以通过岸边架设的缆道，或者岸边两侧的工作人员来回拖拉缆绳来完成。岸边架设的缆道可能非常简单，只包括缆绳和滑轮（图6）。有的是用手动曲柄或机动装置驱动的固定缆道，可以在河流上来回拖拽测量船（图7）。2004年，市面上推出了用于缆道的遥控巡测船（Oberg and others, 2005）。这些巡测船可以从一个水文测量站转移到另一个，一旦安装在缆道上，就可以拖拽船只并以用户控制的速度来回驱动船。涉水拖拽三体船虽然已被应用，但应尽量避免。当要涉水拖拽船只的时候，应注意以下几点： 1、与传统的固定的岸边架设缆道相比，涉水拖曳的船体航行并不顺畅，而且会偶发更多的纵摇横摇运动； 2、如果河流中的工作人员离船太近，会干扰到声学波束； 3、如果河流中的工作人员离船太近或向上游移动，可能会改变ADCP测得的水流数据； 因此，建议用临时岸边架设的缆道代替涉水拖拽测量船。
图6 临时岸边架设的缆道拖拽三体船 当流速很低的时候（＜0.15米/秒），控制拖拽船的难度很大。而且失控感会因为风而加剧，船会吹到非指定方向。可将锚（图8）置于船后侧来改善船的操纵性，从而增加水流的影响及其对系绳的拉力。要确保锚在船尾足够远的位置，不会影响水流和速度测量。船速保持足够快且平稳，使船始终在一个方向航行，防止船来回徘徊。 当流速很快（＞0.15米/秒），或者在高桥上拖动船的时候，三体船船头翘起的情况并不少见，这是由快速水流下增加的拖缆垂直拉力、船体动力学以及船上的连接件角度设置不正确造成的。拖缆和船体的连接件设计既可以是固定的，也可以是灵活可调的。较大的纵摇角度会导致深度测量的误差，应尽可能减少。在拖缆牵引船只的位置附近增加一个测深锤可以减小纵摇角度。另外，增加拖缆的长度也可以减小纵摇角度。根据船的设计不同，有的船在有表面波的水域中高速航行时会潜入水下，这会导致设备的损坏且对操作者造成危险。如果拖拽船开始潜水，最好的措施是尽可能地放出更多的拖缆。如果拉紧开始潜入水下的高速运动的拖船，会导致拖船更快地潜入水下。所以，非常重要的一点是应确保拖船适合现场情况。 尽管使用拖拽船可以减少水文工作者的水上工作时间，以及桥测时配套的设备数量，但是需要遵守一些重要的安全准则。拖缆应该在水面可见，尽量减少与航行船只的碰撞。在拖缆上插上橙色的塑料旗可以提高其可见度。操作者应该快速释放拖缆避免拖曳船被碎片纠缠或与航行船只相撞。请勿将拖缆缠在自己的手上来控制拖船，不要在脚下或身后留有多余的拖缆，不要将拖缆的末端系在自己的身上。务必戴上手套，并始终保持您和船之间的距离。应遵循标准的安全操作、特定区域的交通安全设计和当地公路交通法。 由于系统组件故障，可能导致拖船失去控制。比如，拖缆或拖缆连接点可能会断开，ADCP操作者应在拖缆和船体间设置多余的连接点，并制定应急计划，以便在发生船只失去控制时取回船只。例如，携带一艘小型的人工船，可以快速安全地下水并尽快找回拖船（Oberg and others, 2005）。在ADCP和船只上应该印有联系方式，便于找回丢失的ADCP和船只。当找回ADCP的方法无法实施，比如处于高流速的洪水区域或不安全的河流上，可以通过在ADCP上安装GPS定位装置来寻找。
（A）
（B） 图7 （A）人工固定缆道（B）便携式马达驱动的固定缆道，用于布放装有ADCP的三体船
图8 使用风向袋来当海锚使用 遥控船 当人工船或三体船不可行时，可使用遥控船进行测量。遥控船与人工船相似（但体积更小），含有独立的马达和可以巡测河流的遥控系统。与拖拽船不同，遥控船没有绳索的限制。尽管遥控船有失控的概率从而增加设备丢失的风险，但它可以在没有船坡道的情况下布放，并能在没有桥墩影响的区域（例如，桥上游）或没有桥梁或索道的地方收集数据。目前（2013）遥控船已经实现了商用（图9）。遥控船ADCP的安装架应符合之前列出的人工船安装要求。特别需要关注的是，遥控船的马达和电池对遥控船罗经存在潜在的影响。如果船只设计不当，来自电子马达和电池的磁干扰可能会很大。遥控船还应包含能够容纳电源、无线电台和控制电台的水密舱。无线电台用于遥控船和现场电脑的数据传输，无线电台应该具有在三体船布放章节描述的所有功能。 有关人工船航行速度和航行方法的建议也同样适用于遥控船。选择遥控船的依据要参考现场的测量情况。操作者需要大量练习正确地操作遥控船。在高流速的情况下布放，操作者应该熟悉遥控船的操作。船体和遥控电台的定期保养对保持设备性能来说非常重要。 对于遥控船，可能会因为系统组件故障而失去对船的控制。与之前谈论拖拽船章节一样，运用遥控船装载ADCP的操作者应该有应急方案来找回丢失的设备。
图9 商用遥控船示例
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