ADCP测量方法手册翻译连载（九） ：动底测试

6 R) ?- V$ t$ |7 q5 e

五、现场操作步骤

（二）测量前的现场准备工作

动底测试

ADCP可以通过底跟踪技术计算出船速，即通过河底声学发射的多普勒频移计算得出。这种技术是基于河底静止的假设下。然而靠近或位于河底的颗粒运动会影响底跟踪的多普勒频移。在这种情况下，河底附近的高浓度沉积物会影响河底的反射。这些河底附近的沉积物通常是沿下游方向运动。如果动底影响了底跟踪，那么得到的船速将偏向与沉积物运动相反的方向。溪流中静止的船似乎正在向上游移动（图11）。船速的这种偏离将会导致流速与流量均小于真实的流速和流量（负偏离）。

0 f# h6 @. O7 H5 {4 n5 }

图11 在密西西比河使用1200k频率的ADCP在有动底环境下所测示例（蓝色为航迹，红色为水流方向）

根据现场经验可知，同一区域动底的变化很大，与水位图、径流源头以及季节相关。因此在曾经没有发现过动底的区域有可能会出现动底情况，在曾经检测到动底的区域也有可能不存在动底。在低流速下（0.3米/秒）也发现过动底。因此，为了保证采集的数据质量，每个安装ADCP的动船进行测量前都应该做动底测试。

在测流之前必须先做动底测试。如果测点经常发现有动底，而且GPS总是与ADCP一同使用，仍然需要进行动底测试。如果单次安装环境下，需要进行多次的流量测量，那么并不需要对每个断面都进行动底测试，只需要在不断变化的水流下按照合适的流程来确定和解释动底存在的可能性（请查阅“流速变化与潮汐情况”章节）。

只有在测试和结果分析时采用合适的技术，动底测试才有效。目前三种常见的动底测试方法包括（1）无GPS静态测试，（2）有GPS静态测试，（3）环形测试（表8）。动底的静态测试需要在最有可能存在动底的地点测试。额外的动底静态测试可以更好地表征测区的动底情况，但只有当测试用于修正动底条件下的流量数据时，才需要进行多次动底静态测试（参见附录B）。

   

无GPS静态测试

无GPS静态测试要求装有ADCP的船只停靠在静止的位置来记录ADCP数据，同时利用底跟踪作为船速参考。如果静止位置由系绳或者锚保持，ADCP不会顺流或逆流运动，那么整个动底测试不应少于5分钟；但是，如果ADCP可以顺流或逆流运动，比如静止位置需要船员操作来保持，那么测试记录不应少于10分钟（表8）。这些标准取代了先前在美国地质调查局 (2002b) 和 Oberg 等人 (2005)发表的关于动底静态测试的指南。当动底存在时，静态船只似乎显示逆流运动（图11）。动底误差可以通过船只逆流运动的距离除以测试的时间（以秒为单位）来估算。该计算将得到由底跟踪技术检测到的动底速度预估值。然后可以将该动底速度除以动底测试中获得的平均流速，并乘以100，得到测区的流速偏差。如果动底测试由拖曳船、锚定船或几乎不动的人工船实施，那么当所测动底速度大于测区平均流速的1%，那么判定存在动底。如果动底测试是由没有被锚定的人工船实施，可能会向顺流或逆流移动，那么使用2%的标准而非1%来判定动底的存在，因为船只的运动给测试带来了不确定性。如果检测到动底，则应使用不受动底影响的测流技术或者动底影响被修正的测流技术（附录 B ）。

   

有GPS静态测试

当使用GPS并接通了ADCP和数据采集软件，则可以使用估算动底误差的更精确的方法。这种方法也需要装有ADCP的船保持在静止位置，并且保证GPS数据有效情况下数据采集时间至少持续5分钟（表8）。动底的误差可以通过上面介绍的方法来计算，但是由底跟踪计算的逆流方向距离应由GPS计算的实际距离来修正。在WinRiver和RiverSurveyor Live软件中，这个距离可以分别在“罗经校准”表格窗口和GPS表格窗口中找到，并标有“BMG – GMG mag”和“BMG- GMG dir”。“BMG-GMG dir”的方向应为上游方向。如果测得的动底流速大于平均流速的1%，则需要使用GPS作为导航参考。

   

环形测试

如果ADCP可以保持静止，那么动底静态测试是一个非常好的检验方法；但是这些测试只能代表断面测试点的动底情况。另外一种测试是环形测试，其原理为当ADCP测过断面之后，动底会造成底跟踪获得的船迹在向上游方向弯曲。因此，如果ADCP在有动底的水流断面进行往返测量，最后回到起始测量的位置，那么底跟踪船迹会显示其返回的位置为偏向起始位置的上游方向（图12）。动底的平均速度可以通过计算起始位置在上游方向的偏差距离（闭环偏差）以及完成环形测试的时间测得。如果通过环形测试得到的动底速度大于0.012米/秒，并且大于平均流速的1%，那么动底是存在的（表8）。

对于小于 0.24米/秒的平均流速，环形测试的精度可能不够。如果平均流速小于 0.24米/秒，则静态测试应提供更可靠的结果。如果检测到动底，则应使用不受动底影响的测流技术或者动底影响被修正的测流技术（附录 B ）。环形测试方法必须正确应用，否则可能会产生不正确的结果。应正确按照USGS科学调查报告（2006-5079）使用环形测试方法。报告中描述了相关的流程、条件和不确定性。

表8 用来判断动底的方法、校正标准及最小测试时间。

备注：
; ]+ G- @0 g9 D6 [7 f0 S8 W& r

• 检测阈值是指应该使用GPS导航参考或对底跟踪进行修正的最小检测值。
  这些阈值基于动底测试方法的精度限值。
  ' S0 J) a( E& t$ h  X7 a2 g
• 静态动底测试仅在断面上的某个位置进行，应该是动底存在可能性最大的位置。
  ; Q0 ~+ Z. w0 H! b9 a. V3 s0 q
• 更长的测试时间可能会减少一些罗经误差带来的潜在影响。
  
  
  1 P+ `7 a) b3 K0 O9 g+ U+ Q

   

流速变化与潮汐情况

在一次或一系列测量期间，当水流情况变化，动底情况也会发生变化。在布放开始点的动底测试不一定适用于整个系列测试。这些变化有可能发生在流量变化大的内河区域，更常见于测量期间发生潮汐变化的沿海环境。这些影响要求至少一次动底测试，有时需要进行多次的动底测试，这取决于ADCP是否集成使用了GPS。如果ADCP集成GPS进行数据采集，那么最少需要一次的动底测试。

• 在开始进行断面流量采集前就需要立刻进行动底测试。
  建议选用环形测试，因为它会捕捉整个断面的动底情况。
  动底测试的结果应与以 GPS 和底跟踪计算的流量差值一致，作为动底测试后的断面导航参考。
  ! W) ?& _1 o1 c  l7 s' R: R这个过程可以验证GPS、罗经校准和磁场变化是否准确。
  
• 当水流变化的时候，以GPS为参考的航迹和流量可以继续与以底跟踪为参考的船迹和流量进行比较。
  最终的流量可以以底跟踪为参考，除非：
  a）底跟踪的航迹线位于GPS参考航迹的上游，并且b）底跟踪流量数据一直小于GPS参考的流量的1%以上。
    w# T' I, c7 c- P
  

如果在数据采集过程中没有GPS，底跟踪必须作为所有断面的参考。在这种情况下，可能需要进行多次动底测试。至少需要两次的动底测试：一次在测量的开始进行，一次在最有可能发生动底的情况进行。

• 如果两次测试都表示没有动底的存在，那么就可以合理假设该测区没有动底。
  2 r' ^* L/ ^2 r尽管额外的测试可以更好地支持这一假设。
  
• 如果其中一次测试结果表示存在动底，那么则需要进行额外的动底测试以便清楚地了解动底变化，直到表明没有动底存在。
  动底测试的结果需要对整个测量环境进行插值修正。
  如果软件不支持此类计算，则可以手动进行插值和修正。
  6 O. Q5 g( V# b* i; p9 r3 ~8 S
  , [. [: j: X$ W7 ^0 t- h
  2 p3 E7 p8 S4 e

" w; X6 @  R* Y- |& {4 O4 P

图12 受动底影响的环形船迹线

   

根据动底测试结果来选择测量方案

当动底测试结果显示没有动底存在时，底跟踪可以作为最佳的导航参考，因为测量的潜在误差源最小。如果测试结果显示存在动底，那么则需要外接GPS，选择GGA或VTG作为参考标准。如果因为该点的卫星覆盖不够或者罗经干扰导致艏向不准确而不能使用GPS，那么则需要对以底跟踪为参考的流量进行修正，或使用mid-section 技术。表9按优先顺序介绍了在动底情况下使用ADCP测流的推荐方法。环形测试或多次静态测试修正底跟踪流量的方法无法代替使用GPS的方法。只有在因为现场条件或艏向不准确而无法使用GPS的情况下才可以替代。在动底情况下数据的采集和处理请参考附录B。

表9 动底存在情况下的测量方法，按照优先顺序排列。

[DGPS, 差分修正全球定位系统；GPS, 全球定位系统: Hz, hertz；NMEA, National Marine Electronics Association；, 大于；SMBA, 静态动底分析]

备注：

• 环形测试或多次静态测试修正底跟踪流量的方法无法代替使用GPS的方法。
  0 [7 D3 ?* ?: v' T只有在因现场条件限制而无法使用GPS的情况下才可以替代。
  / w0 ~3 P. w& ~5 \' o& N) A
• 在环形测试或多次静态测试进行流量修正时，应使用美国地质调查局的实用程序（Loop Correction）和静态动底分析（SMBA）工具或类似程序，不应使用手工计算。
  
  $ Q. O5 r% Y- X' u4 t2 u4 i
  " Y7 i; B0 A$ ~2 H

         
. z6 J* Y& |. c5 w: M$ R4 W