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A D C P ／A D P 在现场泥沙观测中的应用吴中胡金春河海大学交通与海洋工程学院．扛苏南京2 1 1 X ) 9 8摘要本文绍介了声学多普勒剖面流速仪b 2 3 C P ／A D P 的基本工作原理，井在此基础上介绍7A D C P ／K D P 在现场悬沙观测中的应用以及常规的回归计算模式与优化的B P 网络模式．舟绍7 和G P S 结合，利用A D C P ／A D P 底跟踪信息观测底沙推移质表晏推移断面速度分布的技术，并提出了观测底沙输沙量的技术方案．美譬词M ) C P ，A D p ．泥沙观测B P 神经网络，G P 乳悬沙浓度，底沙推移1 前言声学多普勒剖面流速仪自问世以来，因其较高的观测准确性、使用的便利性以及较高的工作效率很快在全世界范围内得到广泛的应用它也是联合国海洋委员会推荐的四种先进海洋仪器之一目前，国际上的主要产品有美国R D I 公司的A D C P 系列和S o n T e k 公司的A D P系列我国自九十年代初长江水利委员会首次成功引进A D C P 以来，相继有中科院、河海大学、上海航道局等多家单位引进A D C P 或A D P ，其工作频率大多在3 0 0 K H z 至1 2 0 0 K H z之间、工作方式多数为船载“走航”观测式。

目前，A D C P ／A D P 在国内主要应用于河流的亩! c 速流向断面观测、海流的三维速率观测以及河流流量观测其中在长江中下流、长江口区域，A D C P ／A D P 得到了较广泛的应用自八十年代末、九十年代起，荚、日等国还开展了利用A D C P ／A D P 的目0 产品～声脉冲的背散射强度进行悬抄浓度观测的研究圉l i l tA D C P 走航理测发射声渡示意图图，’1 , L O P 典型的背散射强度副面图( 三渡束3 7 4匣囱2A D C P ／A D P 工作原理简介A D C P ／A D P 不同于以往的水流观测仪器，它可以在预定断面上实现动船的走航观测，实现在不长的断面上的准同步观测，基本达到能在时空坐标上对水流进行观测与研究的目的实现活动平台观测关键技术是采用所谓的“底跟踪”技术，即A D C P ／A D P 交替向水体和海( 河) 底发射有一定倾斜角度( 通常与铅直夹角为2 0 ～3 0 ) 的四束或三束声波( 三束声波可得三维流速解，第四束用于解校正) ，利用不同历时的各层反射声波频率移动的多普勒效应，解算出各层水体在几乎相同时刻，相对于测量船的速度和测量船相对于海( 河)底的速度( 图1 ) 。

就此引进外接电罗经或利用A D C P 内置磁通门，可将相对于船体( 仪器)的坐标系统转化为大地方向坐标系统，则各层水体t 时刻的实际流速为：y Q ) = ％( f ) 一％Q )( 1 )式中，y 为水体流速，‰为水体相对于船的速度，％为测量船相对于水底反射面的速度利用A D C P 观测泥沙3 ．1 悬沙浓度和悬沙通量的观测现代河流海洋现场悬沙浓度的观测一般都采用利用前向或后向的射线波散射强度的仪器常见的射线有放射性射线、可见光射线和声波射线，A D C P ／A D P 是精确发射和接收一定频率或一定频带宽度的声波脉冲的先进设备，它接收的是背向散射声波，信号稳定且有规律( 图2 ) ，因此有条件利用其接收声波强度来进行悬沙浓度的估测A D C P ／A g P 发射声波的后向散射强度可以表达为f 3 i‘／厶= N V l ( 9 r e ) F a 6r 付t o ) 2 e 丝7( 2 )r t = l —K o ／K( 3 )r o = 3 ( 瓦臃一1 ) ／( 1 + 2 疗口疗)( 4 )式中：‘为声波后向散射强度；厶是入射波强度；Ⅳ为单位体积内的总粒子数( m 3 ) ；V 为声脉冲照射的水体体积；a 为粒子半径：K c 为声波波数：，．为接收换能器至散射体的距离；K o 为粒子压缩系数；K 为水压缩系数：瓦为粒子体积质量；万为水的体积质量。

初始的后向散射强度可由声吸收系数及换能器与散射体的距离厂计算【4 l ：‘= F I + 2 0 l o g l o 厂+ 2 矗r( 5 )F = 1 2 7 ．3 ／( t + 2 7 3 )( 6 )式中：瓦为现场水温，吸收系数矗与声波频率及含盐度有关从( 2 ) 式可以看出在一·3 7 5 ·定条件下，泥沙浓度正比于背向敬射强度3 11 相关模型用相关模型的方法研究A D C p 测泥问题起源于八十年代未，九十年代初英国D r e d g i n gR e s e a r c hL 砸应用A D C P 于挖泥机污土倾倒扩散监测和悬沙浓度研究；S o n T e k 公司对A D P背向散射信号强度的典型规律进行了研究，给出了不同频率A D P 或其它相似仪器探测不同粒径泥沙的特性”1 ( 表1 ) 国内长江水利委员会长江E l 水文水资源勘梗i 局对相关模型法也进行了长期的研究．积累了大量的资料和应用经验相关模型方法在水声条件与水声环境相对变化不太的情况下取得较好的观测效果，尤其是窄带A D C P ／A D P 在背散射声强度与悬沙浓度之间表现出较好的相关性表1 “不同频率A D P 所能探测泥沙的粒径3 0 0 08 01 5 0 01 6 05 0 04 8 0P o ∞i d o n2 5 09 6 03 12 优化模型对于声传播条件常发生变化或观测线较长的断面，如有盐水入侵的潮汐河口、悬沙含量有较大的短周期变化的区域，悬沙浓度与背散射强度之间明显存在着非线性关系，仅靠单一的相关模型不能满足观测的精度要求。

解决这一问题的方法之一是采用时空分段的样本回归法相关模型但时空分段过细过密不仅增加工作量，而且存在着因观测对象变化、组内样本数较少而导致更大的偏差的可能性优化模型更加注重各永层深度单元数据之间的关系，模型具有自适应的能力，从理论上讲它能够对观测数据给出最优的悬沙含量解，适合于存在背散射强度与悬沙浓度有非线性关系的情况因此．适当地进行观测数据的时空分组．并在组内采用优化模型是观测声沙条件多变区域的较好方法——图3 1 7 臂散射强度与悬沙浓度之司的非线性关系图4 1 ”长江口深水航道导堤周边某断面反射声强剖面f 落急·3 7 6 ·圉5 1 ' 1 使用B P 网络优化模型计算的靠近导堤1 0 0 m 的断面悬沙浓度( 落急河海大学与长江口水文水资源勘测局合作．在长江口深水航道进行了悬沙浓度观测的试验在数据优化处理上选取模仿声渡传播、反射的神经网络多层B P 网络模型”1 通过样本学习，它可以较好地计算水体中悬沙含量同回归模型相比，由于B P 网络的数据输入是拓扑有序的，因此它在学习过程中已将悬沙垂向分布对背散射强度的影响考虑在内，克服了回归模型各样本之间没有联系的弱点，提高传感器与背散射源距离补偿的精度。

实践表明利用优化模型可以得到较合理的悬沙浓度的剖丽估测值Ⅲ与A D C P 实测流速流向结合，可以得到河流悬沙通量的估测值3 ．2 底沙观测的设想与实践底沙推移质的现场观测存在着诸多困难，要调查底沙输沙量必须要解决断面床底泥沙推移速度分布和断面推移质厚度分布A ／) c p ／A D P 由于受发射声波反射旁瓣的影响，底床表层速度无法直接观测但可以利用A I ) c P I A D P 的底跟踪信息，结合全球定位系统G P S ( 差分D G P S ) 推算出底沙表层的断面速度分布o 应用实时差分的卫星定位系统可以准确定位、动态跟踪测量船的平面铡线轨迹可以求解出各个时刻测量平台的位置、速度用D G P S 测得的平台速度K 替代A D C P 对底跟踪得到的船速吒，即可得到对卫星跟踪的水体各层流速：露O ) = 死e ) 一吒e )从而反推出底沙表层、即底部声波反射面的推移速度‰3 7 7瓦O ) = 扩( f ) 一啄O )囝6 t - ' l 长江口深水航道底沙观测断面位置( 8 )推移质厚度的观测可采用荷兰S R E M A 公司的专业技术产品D e n s i T u n e 密度计和S i l a s淤泥连续密度分划系统。

其工作原理也是利用声波遇到不同密度的介质反射强度不同、在不同密度介质中的振幅也不相同来划分底床与推移质的反射波的信号强度取决于底床沉积层密度的变化，一般来说密度越大反射强度越大，声波在介质中的振幅也越小这种变化被定义为“密度梯度”由于声波反射强度和密度梯度之间的关系可以通过实验确定，这样就可以对密度进行定量化处理，从而分划底床和推移质的界面( 5 1 这在淤泥推移质观测上有较好的效果和A D C P ／A D P 不同的是，它的工作频率较低通过观测推移质表层推移速度和推移层厚度两方面的工作，并采用试验方法找出推移质垂向推移的速度分布，就可以计算推移输沙率2 0 0 1 年河海大学与长江下游、长江1 ：3 水文水资源勘测局合作，采用了A D C P - G P S 方法观测长江口深水航道内断面底沙推移速度分布，取得了较好的观测效果，为深入研究现场底沙输沙率打下良好的基础图6 示意了长江口的观测断面位置图7 表达了长江口深水航道底沙在大潮时一涨一落断面表层底沙推移速度的分布情况它既反映了半日潮周期性对底沙运动的影响，这在6 ：o o 、1 7 ：o o 子图，7 ：o o 、1 8 ：0 0 子图和8 ：o o 、1 9 ：o o 子图中表现明显：又显示了上游泾流对底沙的作用，这表现在1 4 ：o o 至1 7 ：o o 子图上，它们有明显的特征继承性。

同时它还反映了长江口区域复杂的水流结构所引起的底沙运动的复杂性，图7 较完美地解释了九段沙对深水航道水流与底沙的影响以及柯氏力对宽阔江面流态的影响，尤其在涨落潮闻期·3 7 8 ·4 结论1 0 0O距膏( 1 0 0 “ m }距离( 1 0 0 * m }6 0距盘< 1 0 0 m )距离《1 0 0 m )图7 1 a l 长江口深水航道某断面底沙表层推移速度分布( 大潮，1 3 h )利用A D C P ／A D P 进行现场泥沙观测在国内外已进行了十多年的研究和尝试，取得了一定的成效但对一些泥沙含量很大的河流尚无法进行利用，一方面是声波脉冲在高含沙水中衰减太快，使得较高频的仪器无法应用；另一方面在高含沙水中背散射强度和含沙浓度的非线性关响，具系比较表明显，数据处理偏差会增大此外，泥沙粒径、水生物等对散射强度都有影体的观测目标都要进行现场的调查，在掌握大致水情、沙情的情况下，选取合理的探测和数据处理方法参考文献l 吴中，李字等．悬沙的A D C P 估测方法．海洋工程．2 0 0 1 ，1 9 ( 2 ) ：6 9 “ - 7 3 ．2 吴中，陈力平等．底部浮沉摇移速度分布的A D C p ．G F S 观i 昊= l 方法．海洋工程．2 0 0 2 ，待刊．3 翟俊芬．声学方法监测悬浮物浓度的标定技术研究．海洋技术．19 9 5 ，1 4 ( 3 ) ：9 0 “ - ' 9 6 ．4R D I 公司( 美) ，声学多普勒海流剖面仪工作原理．5 交通部水运工程科技信息网．水下淤泥密度及泥层厚度的测量方法．6S o n T e kA p p l i c a t i o nN o t e s ，S o n T e kD o p p l e rC u r r e n tM e t e r sU s i n gS i g n a lS t r e n g t hD a t at OM o n i t o rS u s p e n d e dS e d i m e n tC o n c e n t r a t i o n ．7S o n T e kD a t aR e p o r t ，A D PD e p l o y m e n tn e a rS a nF e l i p e ，M e x i c o ．·3 7 9 ·园一圈一圈。