ADCP测量方法手册翻译连载（十）:不同水流环境下的测流步骤

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五、现场操作步骤

（三）流量测量步骤

流量测量的步骤需要根据所测的水流环境来制定。测流步骤在水流稳定的区域和水流不稳定的区域并不相同，但是数据质量的衡量标准是一样的。下述内容介绍了在稳定水流环境、不稳定水流环境、复杂水流环境下需要注意的步骤要点。

水流稳定的环境

在相对稳定的水流环境下，动船测流需要在重复的断面上（至少需要2个）持续至少720秒的测量。该测量持续时间指的是流量采样时间，不包括动底测试时间或其他准备时间。偶数个重复断面可以让流向的误差最小化。当从左岸到右岸的断面测流量始终大于或小于从右岸到左岸的断面测流量时，就会出现流向误差。持续测量时间最少为720秒（12分钟），即使需要操作者采集4个以上断面(U.S. Geological Survey, 2011b)（译者注：国内视环境而定）。测量断面的船速需要合理均匀且在几个断面中一致。如果数据出现较大的问题（比如：拖拽船靠近断面，因船闸引起流量突然变化，ADCP与电脑的通讯问题或其他因素等），那么需要在同一方向上再一次进行断面测量，同时将原因记录在现场手册上。

水流不稳的环境

有的时候，水流变化很快，720秒的持续测量可能无法表征被测水流。水流不稳定可能是受上游大坝、节制闸、潮汐、下游回水、洪水波浪或其他因素影响。此外，在建立指标流速率定曲线时的流量测量可能需要更短的流量采样时间，以便与指标流速有更好的相关性。在这种情况下，可能有必要将单个断面视为离散测量。如果可行，在一次测量中，应该对断面进行往返平均，以便消除潜在的流向误差。如果单个断面或多个断面的流量采样时间小于720秒，其原因应该在现场与流量测量一起记录，或者归档在站点的档案中。对于不稳定水流，尤其是双向水流，其中一个重要的考虑因素是要正确地设定流量的正负号。ADCP软件不一定能正确地设置流向，正负号也与“左岸”“右岸”设置有关。因此操作者应该记录每个断面的水流方向，要依据特殊站点的特有惯例。

复杂环境下的测量

并不是所有的测量都能在理想的环境下进行。很多情况下，现场环境比较严峻，很难精确地测量水流信息。了解ADCP操作的基本原理以及特定条件对流量测量的潜在影响，可以帮助操作者调整数据采集和处理流程，确保获得最佳的测量效果。下列描述了一些常见的复杂环境下的流量测量场景，以及测量和处理数据的最佳方法。   

小流速

尽管洪水环境最难测量且最危险，但是小流速环境的数据是最难测得准确的。由于流速非常小，数据中的任何噪声或者误差，即使量级很小，但从百分比误差来看，通常比预期的要大得多。通常小流速水流也不太稳定，即使微风也可能引起水流在上游或下游的较大变化。布放ADCP的船只产生的干扰以及仪器本身的噪声会变得明显，需要比一般水域进行更多的平均才能获得准确的平均数据。为了减少仪器噪声，条件允许的话可以使用相干脉冲模式。使用标记线缆、拖缆系统或拖钓电机来保持稳定缓慢的船体操作。将ADCP布放在船体无干扰的位置，尤其是人工测量船。对于人工测量船，一般将 ADCP布放在船头上游方向从而最大限度地减少船体影响。当使用拖拽三体船的时候，让船根据水流和行进方向自行定位；不要将拖曳三体船固定在上游方向并将其左右移动，这样会在小流速的情况下引起很大的干扰。使用风向袋作为海锚（图8）将有助于稳定船体方向。采集更多的断面来平均，可以更好的观测水流中任意周期变化。与平均值相关的随机误差，可以通过变异系数除以断面数的平方根获得。
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大流速（或）湍流

大流速（或）湍流对安装平台和ADCP的操作极限是一种挑战。船只的稳定性（拖拽或人工船）对采集人员的安全以及数据采集质量很重要。现场操作人员的安全永远都是第一位的。一些拖拽船在一些情况下可能会潜入水下，并且会对拖缆瞬间造成较大的拉力，这对操作者来说是安全隐患。由于波浪和湍流水面造成的船只涌浪、纵摇、横摇导致换能器下方夹带气泡，阻碍声学信号从而导致产生无效数据。涌浪、纵摇、横摇也会引起仪器吃水的变化，增加测流的不确定性。当在桥上使用拖拽船测量时，拖缆的拉力和角度会使船有一个固定的纵摇值。快速流和湍流通常造成沉积颗粒物移动，这可能产生动底或者鹅卵石等混合底质形成的粗糙河底，从而丢失底跟踪数据。ADCP的流量均匀性假设在湍流条件下经常被违反，但通常情况下，对整个横截面的湍流影响进行平均有助于准确测流。在大流速湍流水域，应尽可能保证ADCP的安全和稳定，比如使用更大的人工测量船或者适合湍流水域的拖拽船。在采集过程中要时刻观察由于气泡或无效底跟踪产生的无效数据。为了减少数据的丢失，可能需要调整布放方案，比如增加仪器的吃水深度或者变更测量断面点。ADCP的工作模式应该保证能够经常读取传感器（艏向、纵摇、横摇）数据并能将最新数据应用于水流测速中。
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垂向分层双向流

双向流在河口很常见，可能发生在因盐度或温度引起密度变化的密度流水域，靠近水力结构的水域（水体部分水流的进出使得整个水深方向的水流不均匀），以及风引起的强表面流水域。垂直分层双向流会导致不标准的流速剖面。一般情况下，连续推算法或三点推算法可用来计算表层，非连续推算法用来计算底层。在不测量来自仪器或布放平台的流动干扰情况下，尽可能靠近水面收集数据，这对于准确反映表面流很重要。在评估流速剖面时，必须仔细考虑水面的风力和水力条件，包括水流的一般模式或趋势，从而选择最佳的顶部推算方法。在某些情况下，可以使用其他直接测量水面流速的方法，比如单点流速声学多普勒流速计（ADV）；但是，没有针对此类应用的软件或标准程序。   
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浅水流

在无法实测的区域采用算法估算对浅水水域来说尤为重要。ADCP的限制条件如深度单元尺寸、操作模式、流动干扰以及盲区决定了多少区域可以实测，多少区域需要通过算法进行估算。关键问题是“通过算法估算出的数据是否准确？”。在不改变ADCP的限制条件如流动干扰情况下，仪器的配置和安装方式需要尽可能地使测量水体数据最大化。浅水流中的粗糙河床会使测量更加复杂。测量点和仪器的选择是测量的关键。如果测量点水流在水平和垂直方向上均匀，同时仪器拥有较小的盲区、最小的水流干扰以及深度单元层，那么可以实现精确的测量。
  

深水流

深水流中的测量可能受到背向散射物质浓度、ADCP 频率和流速的限制。ADCP 的测量范围与仪器频率和水柱中的背向散射物质有关。相比高频ADCP，低频ADCP通常可以测量更深的水体。ADCP采集数据的深度与背向散射材质的浓度和组成有关。一般来说，使用非脉冲相干工作模式的低频 ADCP 可以实现最深的测量范围。
  

直墙堤

尽管直墙堤可以为测量水域提供一个清晰的界限，但也会为ADCP带来潜在的问题。如果ADCP 位于直墙堤附近，那么倾斜的波束和（或）波束的声学旁瓣可能会被直墙堤反射，并可能干扰其他波束中的数据。为了避免来自直墙堤的反射，有一条很好的经验法则：保证ADCP与直墙堤的距离等于直墙堤处的水流深度。  
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粗糙不规则的河底或河底植被的影响

粗糙而不规则的河底会带来底部推算的不确定性以及增加出现无效底跟踪的机率。河底的植被也会带来同样的问题，即错误甚至无效的底跟踪。最好的解决方法是选取一个更好的测量地点。如果必须要在粗糙不规则的河底处横截面进行测量，那么船速要尽量地保持缓慢而平顺，这样才能取得有效的底跟踪数据。流速剖面的估算尤其重要，因为粗糙的河底会带来更多的水力阻力，导致流速剖面更加平滑，需要更高指数的幂算法或不连续外推方法。  
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风

风会影响水面表层的流动以及流量剖面。风对小流速水域的影响要大于大流速水域。风有可能会影响ADCP对整个水体的测量。在不测量来自仪器或布放平台的流动干扰情况下，尽可能靠近水面收集数据，这对于准确测量风的影响很重要。在计算风对测流的影响时，现场记录风速风向及其对表面水流的影响很重要。在选择估算算法时，这些记录可以用来评估流量剖面。与垂直分层流一样，也可以使用其他直接测量表层流的方法，比如单点流速声学多普勒流速计（ADV）；但是，没有针对此类应用的软件或标准程序。  
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高沉积物（颗粒物）浓度

沉积物对 ADCP 测量的影响在前面章节“ADCP的限制因素、颗粒物的影响”中有详细讨论。在某些情况下，由于沉积物浓度高，可能无法进行ADCP的测量；然而，在其他情况下，可以使用较低频率的 ADCP 和外接辅助设备（回声测深仪和 GPS）进行数据收集。较低频率的 ADCP 通常在高沉积物环境下有更好的表现。高沉积物浓度通常会导致出现动底。在这种情况下，应使用 GPS 来测量船速。当沉积物浓度使ADCP难以进行底部跟踪和探测河底（深度）时，可以使用低频（200 kHz或更低）回声测深仪测量深度，并用GPS测量船速，从而实现准确的流量测量。有关使用回声测深仪和 GPS 的更多详细信息，请参阅前面章节的辅助设备。         

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