ADCP在黄河口近海海洋水文观测中的应用

ADCP在黄河口近海海洋水文观测中的应用

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摘要：为阐明黄河调水调沙对黄河口海域的生态效应，2010年5月26-6月2日、7月3日-6日与9月4-6日黄河调水调沙前、后与洪峰入海期间，黄河口水文水资源勘测局首次成功应用ADCP、OBS-3A、Lisst先进海洋水文仪器进行了三个航次的调水调沙航次的黄河口近海水流沙营养盐与冲淡水影响范围调查。

关键词：ADCP；OBS-3A；调水调沙；水文观测

为阐明黄河调水调沙对黄河口海域的生态效应，2010年5月26-6月2日、7月3日-6日与9月4-6日黄河调水调沙前、后与洪峰入海期间，黄河口水文水资源勘测局首次成功应用ADCP、OBS-3A、Lisst先进海洋水文仪器进行了三个航

次的调水调沙航次的黄河口近海水流沙营养盐与冲淡水影响范围调查。

一、仪器测量原理

自20世纪80年代以来，ADP(ADcP)(aeoustie Dopple coreurrent profiler)一声学多普勒流速剖面仪己成为物理海洋学研究的常规仪器。现在广泛应用于河道和海洋的流量测验，至今，国内已有近三百台ADCP应用于中国的海洋、河流、科研船只、海军舰艇、海上采油平台等等。声学遥测方法具有很高和时间(秒级)和空间(厘米级)分辨率，适合用于监测悬沙和近底层泥沙动态变化的研究。因为声学方法对研究区水层没有干扰，可获得具有较高时空分辨率的悬沙浓度、流速剖面和底部地表形态信息。

为确保成功监测到2010年黄河调水调沙冲淡水的立体分布，实现快速、实时、连续测量，黄河口勘测局首次运用Adcp、OBS、Lisst等海洋先进测验仪器，该仪器可现场按1-60秒间隔连续存储记录垂线流速流向、温盐深含沙量以及悬沙粒度数据。由于分工有序、再加仪器的自动化、数字化测量，每条垂线测验时间只有短短的10分钟，在计算机屏幕上可及时储存显示各仪器的测验结果。

ADCP是根据声波的多普勒效应制造的用于水流流速测量的专业声学仪器设备。当ADCP向水中发射的固定频率的声波短脉冲遇到水体中的散射体的时候将发生散射，由于散

射体会随着水流发生运动，因此ADCP接收到的被散射体反射回来的声波会产生多普勒效应。ADCP通过对比发射的声波频率和接受到的被水流中的散射体散射后的声波频率，就可以计算出ADCP和散射体之间的相对运动速度。由于ADCP还能接收和识别底床反射的声波信号，计算出相对于地的运动速度，因此能最终得到水流的运动速度(假设水体中的散射体和水流具有相同的运动速度)。ADCP共有4个探头，每个探头接受到的频移信号被处理后都能转换成沿声波方向的独立流速分量。根据ADCP发射的声波方向与水面之间的夹角，沿声波方向的流速分量又可被转换成水平和垂直分量，将4个探头所得到的数据依据仪器设定的ADCP安装角度、船的航向、纵摇角度和横摇角度等参数进行计算校正，就可以最终得到流速的东向、北向和垂向分量。

对于简单的情况，假设声源所发射的声脉冲的频率为f1，声波波速为c，质点元所接受到的频率为f2，流速为u，声波波束方向与流速的方向夹角为α，则有：ｆ２＝ｆ１－■ｆ１(1)

若声源发射器处同时又设有接收器，因多普勒效应，由流体质点元反射的声频率为f2，同样因多普勒效应声源接受到的声频率为f3，则有：ｆ３＝ｆ２－■ｆ２ (2) 将(1)的表达式代人(2)式，可得：

ｆ３＝ｆ１（１－■）２＝ｆ１（１－２■＋■）(3)

由于声速c远大于流体速度u，故可得： ｆ３＝ｆ１（１－２■）(4)

对于声源发射的频率f1与接收器收到的频率f3 之差△ｆ＝ｆ１－ｆ３一称之为多普勒频移，且有：

△ｆ＝ｆ１－ｆ３＝ｆｔ－ｆ１（１－２■）＝２ｆ１■(5)

则流体的速度为：u＝■△ｆ(6)

据此原理，实现对流体流速、流向的观测。 二、仪器结构指标与观测数据的获取

5月航次使用TRDIadcp-150K型， 7月航次使用NORTEK阔龙400KHZ型。TRDIadcp-150K是海洋大学2009年从美国TRDI公司引进，主要技术指标(Technical Specifications): 流速范围（Velocity Range）:±5m/s (缺省值) ，±10m/s (最大值)流速准确度（Velocity Accuracy）: ±1/±0.5cm/s 流速分辨率（Velocity Resolution）: 1mm/s 深度单元范围（Range of depth Cells）: 3-24m 深度单元个数（Number of depth Cells）:1-225 脉冲频率(Ping Rate): 1Hz(典型): 最大剖面深度(Maximum depth)：340m.NORTEK阔龙400KHZ是海洋大学2008年从挪威NORTEK公司引进，分辨率为1m,盲区为1m。功能应用范围：河流、近岸及海洋水体环境、不同水层水动力参数现场观测利用ADCP所获得的潮流观测资料是按照单元水深记录的信息。

三、仪器应用及工作情况

5月航次调查共布设18个大面站，5月29日11:00 HHA110调查船与广利港出发，16：00到达HK16站并开始测量，由于ADCP以及ASTD由于通讯不正常而无法进行测量，只获得水样以及电磁海流计所测得的流速数据。HK17站ASTD以及ADCP恢复正常并开始测量。17：40接到大风警报，调查船前往胜利油田121井避风。5月31日8：00由121井前往HK15站调查，调查期间，天气状况良好，并于17:45完成全部调查任务，6月1日15:00返回广利港。7月航次调查共布设29个大面站，在5月航次外围增加11个大面站，7月3日出发，7月6日回航。由于分工有序，抓住了3天的良好天气时机，再加仪器操作熟练，没出一点故障，顺利实现自动化、数字化测量，本次测验每条垂线测验时间只有短短的10分钟，比5月航次每断面站节省一半时间，在计算机屏幕上可及时显示各仪器的测验结果，而且精度非常高。由于租借ADCP-150K深度单元范围（Range of depth Cells）：3-24m，因此近岸的5-7个大面站采用电磁流速仪测流。 图4：7月航次黄河口近海流场底层采样时刻流速分布 数据结果由海洋大学海洋地球学院运用仪器本身软件处理。本项目定位导航由我局浅滩调查船安装GPS进行联测。 四、几点结论

（1）传统流速仪法是静态方法，传统流速仪在每一层需要固定4-5分钟，先测一个流向（需稳定10秒），再用计数法测流速（100秒），然后再测一个流向，记录人员记录在记载表上，然后再测下一层，这样每断面站最多只能测5层。而ADCP方法是动态的，ADCP在随绞车升降过程中进行测验，当ADCP运行完毕，流速、流向随即测出，每一断面站只需几分钟，而且垂线测速点按秒设置，数字化储存，采样速率高。

（2）ADCP存在盲区，从150K，300K，600K到1200K多种不同型号，不同类型仪器观测的水深，盲区大小和流速分层单元不同，个别浅水区需要电磁流速仪配合。 （3）ADCP首先是80年代从物理海洋学研究发展而来的的常规仪器，在目前国内海洋测绘研究部门广泛成熟应用，建议尽快给黄河河口海洋水文测量配备推广使用此类仪器。

【参考文献】

[1]张文祥博士毕业论文.ADP和OBS观测支持下的长江口悬沙动力过程研究.2005华东师范大学。

[2]《2010年调水调沙前航次黄河河口近海水域营养盐调查航次报告》2010.11黄河口水文水资源勘测局.

（1）传统流速仪法是静态方法，传统流速仪在每一层需要固定4-5分钟，先测一个流向（需稳定10秒），再用计数法测流速（100秒），然后再测一个流向，记录人员记录在记载表上，然后再测下一层，这样每断面站最多只能测5层。而ADCP方法是动态的，ADCP在随绞车升降过程中进行测验，当ADCP运行完毕，流速、流向随即测出，每一断面站只需几分钟，而且垂线测速点按秒设置，数字化储存，采样速率高。

（2）ADCP存在盲区，从150K，300K，600K到1200K多种不同型号，不同类型仪器观测的水深，盲区大小和流速分层单元不同，个别浅水区需要电磁流速仪配合。 （3）ADCP首先是80年代从物理海洋学研究发展而来的的常规仪器，在目前国内海洋测绘研究部门广泛成熟应用，建议尽快给黄河河口海洋水文测量配备推广使用此类仪器。

【参考文献】

[1]张文祥博士毕业论文.ADP和OBS观测支持下的长江口悬沙动力过程研究.2005华东师范大学。

[2]《2010年调水调沙前航次黄河河口近海水域营养盐调查航次报告》2010.11黄河口水文水资源勘测局.

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