水文測驗中定點式ADCP設備運行維護及故障處理方法

黃 煒，張晨旭

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210013）

1 概 述

流量是水利規劃設計、防汛調度、水資源管理等工作的重要基礎資料。流量獲取按測驗方式可分為以纜道流速儀、橋測、走航式ADCP為代表的人工測驗方法，以定點式聲學多普勒剖面流速儀（定點式ADCP）為代表的自動測流方法［1-2］。隨著水文現代化和測驗方式改革進程的推進，自動流量監測已成為實現水文監測現代化的關鍵。定點式ADCP的應用可有效提高測流效益，特別是在水位流量關系復雜的測流斷面，采用定點式ADCP 測流不僅可以進行連續的測流，而且可大幅減少測驗人員投入，并降低運行成本。定點式ADCP 作為一種實時在線的自動測流設備，其設備運行狀況直接決定了測驗精度、測驗穩定性以及測驗長效性。

目前，相關研究主要關注于ADCP 設備的適用性、比測率定［3-4］、流速分布［5］等方面。筆者結合應用實踐，對定點式ADCP 自動測流系統運維維護及常見的故障分析和解決辦法進行分析，為設備的推廣應用提供借鑒。

2 定點式ADCP系統組成

ADCP是一種利用聲學多普勒原理測量水流速度的儀器，即通過ADCP 換能器發射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物（假定水體中顆粒物與水體流速相同）散射回來的聲波，經過換算測得斷面流速，進而根據斷面面積可算得流量。定點式ADCP 測流系統一般由ADCP 設備、輔助設備、數據傳輸設備及軟件系統共同組成，包括ADCP 換能器及設備安裝平臺等。

目前應用的定點式ADCP測流系統中，ADCP換能器以RDI 和Linkquest 設備為主，設備安裝分橫向式安裝和垂向式安裝2 種。其中，橫向式安裝是將換能器安裝在測驗河段岸邊，以水平方式向河段橫斷面發射超聲波，測得某一水層的流速分布；垂向式安裝是將1個或數個換能器安裝在測驗河段河底基座或錨定的水面浮標上，向水面或河底發射聲波，測得1 根或數根垂線流速分布。輔助設備包括水位計、供電系統等，水位計一般采用浮子或壓力式水位計，供電系統采用太陽能供電，數據傳輸系統包括數據采集控制及傳輸設備（RTU、DTU）等。軟件系統包括設備設置軟件及數據處理軟件等，具備參數設置、數據采集、數據存儲、數據上傳、查詢備份、異常預警、接受指令、數據處理以及流量計算等功能。

江蘇省定點式ADCP 測流系統采用測站、省中心的運行模式，測站設備測得的數據按照《江蘇省水文自動測流系統數據傳輸規約》，通過GPRS VPDN（主信道）或CDMA VPDN（備份信道）傳輸到分中心或省中心的水文自動測報平臺，分中心通過省中心進行相關的運行管理、數據查詢和應用。

3 定點式ADCP設備維護要點

對定點式ADCP 系統的運行維護，主要包括換能器檢查與維護，設備安裝平臺檢查維護，電源、通訊等輔助設備的檢查維護，數據傳輸設備及采集軟件維護等。

3.1 換能器檢查與維護

換能器是ADCP中實現電能與聲能相互轉化的主要設備。一般定點式ADCP 具備4~9 個換能器，每個換能器既是發射器又是接收器，通過感應水體中的聲波能量反射情況來推算流速。因此，換能器運行狀態直接決定了斷面流速數據測驗的準確性，特別是換能器表面的干凈與否，直接決定了回波強度的好壞。ADCP 換能器檢查維護步驟如下。

（1）標記好現有ADCP 換能器安裝位置，將ADCP 換能器升出水面并對表面附著物進行清潔，確保ADCP換能器表面清潔，無污泥、雜草等附著物等。當發現探頭表面有明顯裂痕時，應檢驗是否影響測驗精度。

（2）清潔完畢后，將ADCP換能器放至原先安裝高程，確保換能器安裝高程保持在初始值±2 cm 以內。通過三維姿態等數據校核換能器安裝位置，保障ADCP安裝三維角度變化≤1°。

（3）通過軟件對系統性能進行現場抽檢，確保指標均通過，抽檢聲波信號質量、數據成果質量應達到優良級。將檢查后的測流數據和檢查前數據進行校對，確認數據滿足使用要求。

在運行過程中，如果發現ADCP 成果數據流速異?；蛘唿c流速的流速分布不合理，則需要對ADCP 進行檢查。最直接的檢查方法就是查看ADCP 的信號強度，通過信號強度衰減情況來判斷波速測量路徑上的異常。由于聲波在水中懸浮粒子的摩擦和反射，會造成信號衰減，標準的信號衰減是平緩的或平滑下降，如果信號強度有突跳的反射或者劇烈的衰減，就可以認為聲波路線上有異常障礙物在影響測流，并且根據回波強度異常增強位置，可以大致定位遮擋位置［6］?？赏ㄟ^ADCP 換能器波束傳播圖，區分波束傳播正?；虿ㄊ鴤鞑ナ軘嗝嬗绊憙煞N情況。若波束傳播信號強度平滑衰減，可以判斷ADCP 換能器運行正常，并且河道斷面波速方向上無障礙阻隔。若有較小的反射信號，一般可能是水中懸浮物所影響，可通過查看多組信號強度進行比較。若此處反射可消除，即該處的影響是臨時的，可認為其影響不大；若有較大的反射信號，一般認為障礙物或者信號對水面造成了強反射信號，可在測驗斷面現場情況進行再次檢查確認。

3.2 設備安裝平臺檢查維護

定點式ADCP 有橫向（H-ADCP）和垂向（VADCP）兩種安裝方式，安裝支架的穩定性決定了ADCP測驗的質量，由于都是涉水安裝和運行，維護不及時容易造成設備損壞、測驗數據不準等問題。ADCP 主機姿態要保持同一性，各測次才能保持測到同一地點（相同起點距）的水流速度，也是控制單斷流速率定精度最重要的基礎。

根據實踐經驗，對于H-ADCP 主機安裝姿態應符合的要求包括：將儀器水平安裝，與河流主流線或者中心線平行，并保持儀器姿態固定，縱橫角度誤差應控制在±1°之內，以保證指標流速率定關系穩定。對于V-ADCP，安裝基礎一般在代表垂線位置（偏離不大于50 cm）打樁到河床以下1.2 m，并安裝自動浮起裝置，ADCP（面向上游）的安裝近端偏角為20°（與豎直方向的夾角）左右。

在對設備安裝平臺進行檢查維護時，主要包括以下步驟。

（1）對安裝平臺穩定性進行全面檢查，確保整體安全牢固，無銹蝕、掛渣、搖晃等現象。

（2）對ADCP安裝架、連接鋼絲穩定性進行檢查維護，確保不影響監測質量。

（3）安裝位置的河段淤積情況也會對測驗精度造成影響，應該定期對安裝平臺所在測流斷面進行大斷面測量，保證ADCP 測流斷面和原安裝斷面一致。若有淤積應盡快清淤，特別是對影響ADCP 信號發射的斷面，必須立即清淤。

3.3 輔助設備檢查維護

電源系統和通訊設備是保障定點式ADCP測流系統長期運行及數據傳輸的重要輔助設備。

（1）檢查太陽能電池系統，保持太陽能電池板鏡面清潔、無裂紋，密封采光性保持完好，主板使用期及主板的故障率評價為合格及以上。太陽能電池板鏡面以南無遮檔范圍≥180°，蓄電池表面整潔，蓄電能力及故障率評價為合格及以上。對太陽能板電壓、蓄電池電壓、接地地阻進行測量，測量接地電阻≤4 Ω，防雷模塊運行正常。

（2）檢查設備電纜，確保線路暢通，單位長度電壓衰減量處于正常范圍，不同時期衰減量記錄變化保持在±20%以內。岸上部分電纜線套管及防雷接口穩固無松動，水下電纜線套管穩定且緊貼河底，供電、通訊系統電纜線外層無缺損暴露，無松動、無掛物，線纜套管密封性好。

（3）對防腐蝕部件進行檢查，當防腐蝕部件腐蝕嚴重時，要及時更換該部件。檢查數據通訊模塊，確保運行正常。對數據采集器、通信設備功能進行逐項測試，確認設備工作正常并做好參數備份。

（4）檢查水位計，提起水位計，查看讀數有無變化。確保無影響水位計正常運行的情況，對水位進行校核，與遙測水位誤差應在±2 cm以內。

（5）檢查設備機箱，確認現場機箱設備外觀完好，保證設備清潔。對機箱內外進行擦拭，線纜進行整理并合理布局。

3.4 信息傳輸設備及系統維護

目前，江蘇流量自動監測站測流數據（包括流量、斷面面積、斷面流速、測流原始數據等）采用移動4G VPDN 單信道模式上報。監測站遙測終端自報信息傳輸至分中心采集平臺（流量數據），分中心采集平臺將信息進行初步合理性判斷后入分中心數據庫，通過交換軟件傳輸至省中心數據庫。原始數據包括點流速、回波強度、代表流速、正北偏角、橫搖、縱搖等。在平時運行過程中，要求對測站采集軟件配置校驗，分析數據及系統運行診斷，確保設備在運行周期內穩定正常，測驗數據能實時傳輸至省水文自動測報平臺。

4 常見故障及處理方法

ADCP 測流系統是由ADCP 主機、輔助設備、傳輸設備等共同組成的復雜系統，任何部分出現運行故障都可能造成整個測流系統運行不正常。其中，ADCP 換能器由于長期在水下環境運行，容易造成設備運行故障，ADCP 換能器出現故障的具體表現在設備無數據上傳、數據少、信號強度較差、流量突變等幾個方面。表1中總結了定點式ADCP 系統常見故障及處理方法。

（1）對于設備無數據上傳，引起故障的原因包括ADCP密封插件由于使用時間較長，插針、插孔銹蝕，或由于雷電、老化、潮濕等原因，導致ADCP電源板損壞以及ADCP設備超期使用造成設備化能器故障等。目前，對于ADCP 設備使用周期尚未有明確的規范要求，根據日常使用經驗，使用年限超過5 年的設備存在設備老化的較多，使用年限超過8 年的設備建議進行更換。

（2）對于數據量較少或信號較弱，引起故障的原因包括ADCP 探頭安裝位置發生較大變化或者ADCP探頭前有雜物遮擋。當安裝斷面泥沙含量較高，水草、雜物較多時，或者ADCP設備老化、性能減弱時，都有可能造成ADCP 點流速減少。當ADCP設備安裝位置過高或過低，安裝偏角上、下傾角較大，也有可能造成點流速數據突變。

（3）對于輔助設備，常出現的故障包括工控機不工作、斷電，太陽能供電系統工作時間小于1 周，浮子水位計、雷達水位計、ADCP自帶水位計數據不準確等。對于數據傳輸，常出現的故障包括測站軟件工作不正常，數據傳輸不正常等。

5 結 語

水文設施及相關設備的正常運轉是確保水文測驗、預報數據準確及時的基礎。為了適應經濟社會發展的需要，不斷提高服務社會、服務公眾的能力，有必要對自動測流設施運行管理現狀進行研究分析。針對實際運行中存在的問題，提出優化措施，建立適用于水文自動測報站智慧化的運維管理方案，為水文系統的精細化管理和運行提供新的思路和解決方案。