解锁黄河测流密码的“大家族”——黄河水文ADCP推广应用纪实 - 垂线声学多普勒流速仪

8 T/ k: `4 K& |# y) x1 i1 G

9 n3 x, K( F* y) h

文丨关景匀 段雯

题记

* w2 P' Q4 j) G; G$ ]

近年来，在黄河水文发展战略的持续推动下，“智慧水文”正在一步步由蓝图变为现实，新仪器、新技术、新设备在水文测报中发挥着重要作用。其中，经过10多年反复比测试验、消化调整的声学多普勒流速剖面仪(以下简称“ADCP”)逐步开始大范围应用，使黄河水文流量测验时间从过去测一次需要将近4个小时缩短到如今不到30分钟，提高了精准度，减少了人力、物力投入，为新阶段黄河流域水利高质量发展提供了坚实技术支撑。

+ J6 @& M# f6 E& n7 ]

甘肃兰州，秋雨朦朦。

2 \/ [' P/ F) G% e% |/ n+ E

穿城而过的大河上，一台“山”字形橙色仪器在河中稳稳运行。

+ d/ @; K' S# ~

这是“ADCP家族”中的一员——走航式ADCP。

& D, N7 M( g3 l, ^

“我们站可以说是从‘第一代ADCP’用起，虽然没有GPS定位等功能，但应用效果良好。”兰州水文站站长陈国梁热情地向记者介绍，“如今又给我们配备了全新的ADCP，光电测沙仪也即将到位。”

3 m- o: ]- S8 n, [

现在，提起ADCP，黄河水文人已不再陌生，从试验、比测到投产，从最初仅能适用于含沙量范围最大5千克每立方米，到如今山东测区试验期间测得最大含沙量37.9千克每立方米，十几年间，ADCP已然成为水文人的“宠儿”。为了感受其“受宠”情况，记者走上了探访之路……

结缘，水文人的“萌宠”

多年以来，黄河主要的流量测验方式是传统的转子流速仪法，由于其测验历时长、劳动强度大、工作效率低、自动化程度低等缺点，制约了流量要素的高效、准确采集，影响了防汛工作高效开展，已无法满足新时期水文事业发展的需要。为彻底改变基层测站的测验条件，减轻职工工作强度，黄河水文与ADCP结下不解之缘。

听，水文局怎么说?

2 ^+ y3 F8 ^& O- G

上游水文局--走航式ADCP已在黄河上游基本达到测站全覆盖，使用效果不错，可满足上游测流。下一步将扩大应用范围。

宁蒙水文局--2017年至2018年比测300多次，技术部门先后5次拓展范围，ADCP测验精度高，人力时间减少75%，为早日实现“巡测为主”测报模式打下基础。

河南水文局--走航式ADCP与传统流速仪测验方式相比，具有测验时间短、精度高，采集资料完整、信息量大等优点，比测时虽然辛苦，但是感觉很有盼头。

山东水文局--2016年12月，ADCP流量测验模式在黄河山东测区实现从无到有的第一步突破。ADCP的快速、自动化，使得水文人能够更快、更准确地测出洪峰流量。

……

“目前，黄委118处基本水文站中有53处批复投产使用走航式ADCP，基本实现黄河干流及重要支流把口站全覆盖。”黄委水文局测验处工作人员向记者介绍，“除此之外，我们还有水平式ADCP(H-ADCP)、垂直式ADCP(V-ADCP)、冰期定点式ADCP……同一产品，同一原理，不同的安装方式，应对不同的河道情况。”

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)作为世界上最先进的流量测验设备之一，目前已在国内外得到广泛应用。其利用声学多普勒测速原理，采用矢量合成的方法，测得剖面上各垂线的点流速分布。当走航式ADCP横越测流断面时，计算机系统通过采集、处理流速、水深、航向、垂线位置等数据，按流量计算方法计算出流量。

4 d; o: F! C$ m3 ]. i- a. D

然而，引进之初的水文测验应用并不顺利。黄河含沙量大，河床变化剧烈，水情复杂，而ADCP底跟踪技术是基于河床处于静止状态，黄河河床底部泥沙推移运动，导致ADCP测验得到的流速实际是减掉了同方向河底沙波运动的速度，即底跟踪失效。后经不断探索，通过大量的试验和数据分析，ADCP的流量、含沙量适用范围不断扩大，如今更是推出“ADCP+GPS+测深仪”的自主创新测验模式。

! _" S4 m" e+ H

ADCP已然成了个“大家族”。

p0 S! \: Y6 u V k) b! t

回忆，ADCP二三事

* j9 ^3 M" b# V2 P! E& n

两个人、一台笔记本电脑、一台ADCP，电脑上连接ADCP信号的软件，确定信号接收正常，伴随着“突突突”的马达声，测流就这样开始了……

黄河特殊的河情，使得先进仪器的配发到位只能算初步阶段，还要经过漫长的比测分析阶段，去消化、去调整，才能真正让新仪器发挥“利器”的功效。这漫长的十几年中积累的每份比测资料，都是推进ADCP应用的奠基石。

“最初内心是有质疑的，担心新仪器会不会应用不好。”小川水文站站长孟顺卿回忆道，“后来发现是自身认识上不够，通过新仪器新技术培训、整编系统培训，大家不仅提高了认识，从安装到使用更是人人都能‘上手’，更好地适应现在的工作。”

“成绩的取得不是一蹴而就的，我们站边比测边分析。年轻人不光测流，还自己动手探索。记得有次比测发现数据偏差大，检查后发现是ADCP的尾翼坏了，联系厂家更换一个要好几千元。后来站上的年轻人就自己研究做了一个‘尾翼’出来，成本不过百十元，效果却是一样的好。”包头水文站站长高佳说。

作为一年四汛都繁忙的宁蒙测区，冰期和泥沙是困扰他们的两大难题，ADCP的应用对测区意义重大。

冰期，传统流量测验多采用流速仪法，需沿断面按一定距离在冰盖上钻孔，再在各孔利用流速仪采用一点法、二点法、三点法、六点法等施测垂线不同水深测点流速，利用测得的测点流速计算垂线平均流速，再计算部分平均流速、部分面积获得部分流量，各部分流量之和为总流量。一般每个流速测点需至少施测100秒。这种传统测验方法，测验历时长，加之寒冷恶劣条件下，流速仪出水面后转子部分受冻转动不灵活，流速记录仪等电子产品无法使用，导致测验劳动强度大，测验工作效率低，且对测验精度有影响。传统流量测验方法，制约了冰期流量要素的采集，亟待改进。

为改进冰期流量测验方法，提升流量测验效率和成果质量，黄委宁蒙水文局进行了积极探索。为推进ADCP在冰期流量测验中的推广应用，该局举办了冰期ADCP应用培训班，对宁蒙测区巴彦高勒、三湖河口、包头等凌汛站技术人员展开培训。通过培训，丰富了参训人员ADCP操作的理论知识，为进一步拓展ADCP应用范围、加快ADCP冰期流量测验推广应用奠定了坚实基础。

( J1 l! F9 s- n9 E0 ?

“每个站的特点不同，再好的仪器都得经得起考验、要实用，不仅是为了解放劳动力，更是为了提高数据准确度。我们站上的职工在现有仪器设备的基础上，会主动自主研发，力求发挥新仪器设备的最大价值，小创造带来大贡献。”从职工的创新意识到解决实际问题，10年间，头道拐水文站站长沈国庭作为见证者感触颇深。

; w7 d* `/ n2 n2 V8 P

科技改变未来。一台仪器的推广应用往往会带动一系列的新仪器使用，吸引来更多的科研单位共同合作，也为其他流域所借鉴。如今的ADCP不仅应用于黄河水文测验工作，更为地方工程建设等方面提供专业技术服务。黄河水文人在推进水文现代化建设进程中，亦为河地融合贡献着自己的力量。

9 B; K9 h4 B8 j0 p$ {; P+ j

探索，“智慧水文”的明天

现代化新仪器给日常水文测验工作带来巨大便利的同时，黄河水文人也深刻领悟到仪器推广过程中自主创新与攻关研发的重要性。

' i- B- l6 W; ]* l, `2 O! ~, k$ q

ADCP在黄河水文上应用的逐步成熟，使水文测报质量稳步提升。在实际应用中，虽然已通过配备外置GNSS罗经、测深仪等设备，来确保ADCP具有的盲区插补功能得到充分发挥，但探索永不止步。目前，黄委水文局山东测区已开启走航式ADCP流量测验方式的新阶段--“ADCP+GPS+测深仪”测验模式，即在外接GPS解决底跟踪失效问题基础上，采用外接低频测深仪测得的测深数据代替ADCP水深数据，从而解决水深测验问题，更好地将ADCP功能发挥到最大化。

. f& E9 w( T7 \ l& D0 L

展望未来，黄河水文人矢志不渝，继续拾级而上。HHSW·NUG-1型光电测沙仪、YRCC·NKG-2800型河流泥沙激光粒度分析仪、无人测量船、ADCP等新型水文仪器的成功运用，使“智慧水文”的脚步走的更加稳健，为加快实现“巡测为主”水文测报新模式、助推黄河水文现代化建设迈向新征程奠定坚实基础。

END

' Y1 m& }! H. ^1 p6 N! g; S

编辑：周黎 范江涛

! i8 K% q; E. W- M' Q4 I v

美编：左梦晔

审核 ：黄峰

3 o O: A$ G K; F" G2 x 4 j# J; s3 @0 U; I- Z