ADCP测量方法手册翻译连载（八） ：测量点的选择和准备工作

作者：David S. Mueller，Chad R. Wagner，Michael S. Rehmel， Kevin A. Oberg， Francois Rainville

译者：阿飞

五、现场操作步骤

正确的现场操作步骤对于ADCP采集高质量的数据来说至关重要。按步操作是高质量数据采集的一个重要方面，同时，现场也必须要有既懂仪器又懂水力学和含沉积物水环境的现场工作人员。下面的章节介绍了如何选取数据测量地点，测量前的准备步骤，测量步骤以及数据的后处理步骤。

（一）测量地点的选择

在采集高质量的水流数据中，测量地点的选取是最重要的步骤之一。ADCP测量中遇到的许多问题都可以通过重选测量点来解决。除去特定的深度和速度采集的指导内容，USGS Water-Supply Paper 2175中涉及的传统流速计指南同样可用于ADCP的指导。一般ADCP测量地点的选择要参考位置、形状、流速和其他因素。

1. 位置

a. 水流的横断面应该笔直，流线互相平行。流动相对均匀，没有涡流、静水以及过度的湍流（Rantz and others, 1982）。

b. 测量断面应相对靠近观测控制站，避免测量点和控制点之间支流流入的影响，也避免流量急剧变化时测量点和控制点之间的存储影响（Rantz and others, 1982）。

2. 形状

a. 理想的测量断面大致为抛物线形、梯形或矩形。应尽量避免不对称的河道几何形状（比如，一段很深，一段很浅），同样也要避免河道底部坡度突然变化的断面。

b. 河床断面应该尽量均衡，不要有碎片、植被或者植物生长等。

c. 测量点的深度应满足：测量的开始点和结束点应至少有两个深度单元，左右每个点的流量占比小于 5%。

3. 流速

a. 应尽量避免在平均流速小于0.1米/秒的区域测量（Oberg and others, 2005）。虽然在低流速下也可以测量，但船速要求尽量缓慢平缓，因此对船只的操控技术要求较高（Simpson 2002）。如果无法保持缓慢的船速，那么要求保持最低速度平稳行驶（有时需要额外的断面来平均湍流和仪器噪音）。

b. 应避免测量区域有大量的湍流，比如驻波、大涡流和不均匀流线。这种情况通常表明该区域为非均质水流，违反了ADCP准确测量流速和流量的假设条件。

4. 其他因素

a. 应避免测区有相对地球磁场较大的局部磁场。大型钢结构，例如架空桁架桥，是产生这些大型局部磁场的常见来源，并可能导致 ADCP 艏向误差。

b. 当使用GPS的时候，测区应避免多通道的干扰，比如卫星信号被建筑物或物体（如河边的树木、桥梁）反射。同时要避开GPS卫星信号接收受限的区域。虽然违反上述一项或多项也可能完成有效测量。但如果可以，还是要选取更好的测量区域。

有的时候尽管现场环境不能满足以上的要求，但测量还是要进行。这样的情况下，数据采集的质量会大打折扣。因此现场作业人员要根据自己的判断来选择最好的测量区域。

（二）测量前的现场准备工作

测量前的测试和对ADCP的正确配置能确保高质量的测量。下文内容即是在使用ADCP测量前，需要在测量现场进行的准备工作。

仪器配置与特性

在开始流量测量前，应检查ADCP的内部时钟，并设置到准确的时间，并在ADCP现场测量记录本里记下。这项操作应该在所有诊断测试、校准或设备配置之前完成，以便所有数据的时间标记保持一致。在大多数情况下，ADCP的时钟应该与流量监测站的记录器时间一致。检查和设置正确的时间特别重要，尤其当使用流量测量来校准或检查安装在流量站的固定声学流量计时，或在水流不稳定的现场测量时（Oberg and others, 2005）。

仪器诊断检查

当安装好ADCP并与现场电脑连接通讯之后，需要对ADCP进行检查测试，以确保所有模块都能正常工作。仪器诊断测试后，将结果存储于现场电脑中。诊断测试可能包括系统序列号、固件和硬件配置版本、波束转换矩阵、电子元器件的诊断测试、内部系统测试，以及传感器验证测试。

如果某个仪器没有诊断测试信息，用户应联系制造商寻求指导。诊断测试的结果应在现场进行备份，并与相关的流量测量文件一起存档在办公室。诊断测试应记录在现场记录本中。每次流量测量之前，必须进行完整的诊断测试。如果可以的话，在相对静止的水域并在静止的小船上进行测试，例如在岸边附近。有些测试要求水流相对ADCP静止或只有微小流动。

声速随深度的变化

随深度变化的声速并不会影响水平流量的测量（Teledyne RD instruments, 1996）；但它确实会影响垂直流量和深度（距离传感器的深度）的测量。在水平流速测量中，斯涅尔定律指出，当声波穿过水平面时，水平波数是守恒的。因为声波频率不变，所以声速随深度的变化不会影响声速的水平分量，因此不会影响水平流速的测量。垂直流速分量和深度的测量与声速的变化成正比。目前（2013 年），一些商业的数据采集处理软件具有特定功能，用于修正受声速变化影响的垂直流速和深度。相控阵ADCP的水平流速不受声速的影响，但垂直流速和深度值仍受到声速的影响。对船载ADCP来说，温度和盐度是两个决定声速值的最重要的变量。

   

水温

ADCP内置的温度传感器可以测出换能器表面的水温。水温是计算声速时最重要的变量。ADCP必须要准确算出声速才能精确地测量出流速、深度，继而算出流量。在20℃的水温环境采用活塞式ADCP采集数据时， 5℃的误差可以引起3%的流量偏差（水温越冷误差越大）。因此，在每次测流之前，必须同时使用一个独立的温度计在ADCP旁采集温度数据，与ADCP读取的温度作对比并做好现场记录。如果ADCP与单个温度计采集的温度差值≥2℃，那么需要检验温度计，同时确保ADCP有足够的时间适应当时的水温。时间取决于ADCP，ADCP初始温度与水温达到平衡需要至少30分钟。如果不论如何安装，差值总是≥2℃，或者ADCP温度传感器失灵，那么在温度传感器修好之前，该ADCP都不能拿来进行正常测量。如果必须要测流，而ADCP温度不能用，那么可以手动输入温度值计算声速。这不是标准操作，可能会降低测流精度。

   

盐度

盐度是影响声速值的另一个重要变量。盐度值一般从0ppt（千分比）到35ppt，即从淡水到海洋里的变化幅度。在水温20℃的情况下，0-5ppt的盐度变化会引起流量1%的变化。因此，当所测水域盐度大于5ppt时，需要测量换能器表面的盐度，并进行现场记录。然后在数据采集前将盐度值输入到 ADCP 数据收集软件中，并在测量回放和处理期间根据需要进行调整。应根据盐度随时间变化的位置测量每个断面的盐度。从左岸到右岸的盐度也可能发生变化。应该注意的是，断面盐度值应该反映ADCP换能器所测剖面的平均盐度。

罗经校准

在所有ADCP测流前，最好能校准内置磁罗经。当使用GPS作为导航参考、进行环形动底测试、利用环形方法修正因动底产生的流量误差时或者当流向很重要的时候必须校准。请参考仪器厂家指导以及官方相关建议。以下几点是顺利校准罗经的重要建议：

1. 尽量减小ADCP测区（船上与测量现场）附近的铁质材料和电磁场（EMF）干扰。EMF和铁质材料可能会对内部磁罗盘的性能产生不利影响。

2. 如果仪器校准或评估报告显示出了罗经误差，校准后的评估误差应小于1度。如果误差超过了1度，那么需要重新进行校准。如果经过多次尝试，误差仍然大于1度，那么应在现场记录表中注明。流量测量仍然可以继续，但是需要对潜在的艏向误差格外留意，比如方向偏差和不规则的航迹。如果仪器未报告数值错误，应查阅USGS以及厂家操作手册，确定可以参考哪个罗经校准标准。

3. 在罗经校准过程中，ADCP的旋转、纵摇和横摇都需要平滑且缓慢。Rio Grande ADCP必须尽量减小横纵摇，因为它只支持单倾斜校准。在这种情况下，校准时要保证横纵摇标准偏差小于1度，最好小于0.5度。对于RiverRay和StreamPro型ADCP，通常情况下可用平面校准。如果横纵摇始终大于10度，则使用可以反映横纵摇的罗经校准。注意：可以反映横纵摇的罗经校准更耗时。对于RiverSurveyor型ADCP，在校准过程中要保证横纵摇平稳，比数据采集期间预期的横纵摇大5-10 度。在数据采集过程中，RiverSurveyor型ADCP的横纵摇要小于罗经校准时的横纵摇。

4. 罗经校准应该尽量地靠近测量地点，同时也要与现场安装方式保持一致。整个安装平台下，一切随ADCP运动的东西，都需要在校准中进行评估。

5. 为获得最佳效果，最大旋转角速度应≤5度每秒。

在罗经校准中，拖曳式三体船无论是桥测还是缆道式，都会出现些问题。罗经校准最好的地点应该在水边，尤其是靠近测量现场的位置。如果无法从岸边到水上或者有不安全因素，罗经可以在岸上校准，但是不能在桥上或者靠近缆道A架的位置校准。罗经校准的最佳地点要远离桥梁、护栏、A架、现场车辆、以及任何会影响罗经数据的物体。

对于人工船的布放， ADCP与船需要一同旋转、横纵摇进行校准。如果ADCP单独校准，其磁场变化与现场采集时的磁场并不一致。所以罗经校准的环境需要与现场采集时的环境一致。如果采用人工船拖拽三体船的方式，那么三体船需要与人工船一同旋转，同时三体船与人工船的旋转角度要尽量一致（请参见人工船安装章节）。在罗经校准或数据采集过程中，任何三体船与人工船的相对运动（旋转、远离船只，或靠近船只）都会引起人工船与三体船之间的磁场变化，从而对测量艏向产生误差，即使校准也无法修正。

仪器设置

必要时，ADCP应由受过培训的用户根据现场的水文环境进行配置并优化数据质量。一些型号的ADCP具有自动调节功能，可以在数据采集过程中自动设置和调整配置。另外一些ADCP则需要在数据采集前进行参数设置。需要设置的参数一般包括盲区、水跟踪模式、底跟踪模式、深度单元厚度以及剖面深度等。其他应该在数据采集前设置但可以在后处理过程中修改的参数包括吃水深度、边缘形状、顶层和底层推算算法以及磁场变量等。参数配置取决于使用的ADCP型号。可参阅特定的ADCP技术手册获取详细信息。

参数配置一般建议如下：

1. 如果ADCP文件是由用户命名的，那么文件名应该遵循统一、既有的命名惯例。

2. ADCP的深度（水面到ADCP零点的深度，经常指换能器表面中心）必须要准确测量，并在ADCP流量记录表中记录，同时输入到采集软件中。该深度的船的横纵摇要与流量测量时候的横纵摇保持一致。如果在测量过程中，ADCP的深度改变了，那么该深度值需要重新测得、记录，并在软件中输入新的深度值（图表请参加附录E）。

3. 当ADCP数据采集软件并不具有自动设置模式，一般在设置ADCP前有一个自动跳出的预测量对话框。这个预测量对话框需要用户输入采集现场的信息，比如最大水深，河床特性、最大流速和最大船速等。如果ADCP采集软件中包含这些对话框，那么在数据采集前都需要进行设置。

4. 在测量过程中任何设置的改变都需要在测量记录表中进行记录，这样才能更清楚地知道哪些断面的设置做了变化。

5. 在报告和记录测量数据之前，ADCP中的许多操作模式会平均多次 ping。这些模式的平均值已经根据常规的水力学和船动力学、艏向和横纵摇传感器的记录频率以及水深和船速的测量频率进行了优化。采用这些模式下的默认数据更容易发现数据质量问题。Rio Grande ADCP在水体模式12下的配置不一定最适合移动船安装。在船体不稳定和紊流情况下，如果时间平均步长太长，会产生测量误差。除非有特定的原因，或者用户能够完全了解各种传感器的采样频率，以及更长的时间平均步长带来的潜在影响，否则不要改变ADCP自动生成配置或预测量对话框的设置。在尝试手动配置之前，应查询指定的最新版指导手册。如果没有，用户应采纳设备制造商的建议，或者向ADCP专家寻求帮助。

6. 可以指定顶部和底部未测区域的推算算法。如果使用StreamPro ADCP PDA来进行采集，默认的估算算法为1/6（0.1667动力系数）幂次法则。通常情况，只有在测量之后才能确定合适的推算方法。测量点之前采集的数据可以用来确定推算算法。如果没有其他任何信息，那么1/6幂次法则算法则适用于大多数水流稳定的开放水域的流量测量。在数据处理过程中可以评估推算算法，如果必要的话，可以修改算法。

7. 风速很重要，尤其在低流速的水域，风速对表面流速影响很大，会影响表层的推算算法。关于风速和风向，应该与断面的任何变化一样在现场记录手册中进行记录，以便精确地处理数据和检查测量结果。

8. 如果用户不熟悉测量剖面，则建议先预测一次断面并判断该点是否适合测量，该数据可记可不记。如果适合，熟悉现场特点有助于仪器配置。测试断面可以确定以下配置：

a. 最大水深；

b. 整段断面形状；

c. 最大流速；

d. 断面最大流速位置；

e. 流速的均匀度；

f.  水工构筑物如桥梁、码头、和岛屿等对水流的影响；

g. 非正常水流，比如回流和双向流等；

h. 岸边形状；

i.  两岸的起始和停止测量位置，一般是以最小两单元的有效流速测量为标准。（为了获得准确的起止位置数据，可以用浮标进行标记）

         

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