ＡＤＣＰ在水文流量测验中的应用研究
发布时间：2015-07-06 11:06
摘 要：介绍adcp基本原理及流量 计算 方法 ，通过adcp与管道流量计同步测流进行对比，并与常规方法进行测深、测速比测试验， 分析 比测资料，进行参数修正，提高该仪器测验精度，以达到正式投入 应用 的目的。
关键词：adcp；流量测验；测深；测速；比测试验
1 adcp基本原理及流量计算
1．1 基本原理
adcp实际上应是一个包括：（1）adcp换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，adcp向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于adcp的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出adcp安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
按多普勒频移方程：
fd＝2 f v／c（1）
式中：fd——多普勒频移；
f——发射频率；
c——超声波在水体中的传播速度，与温度、含盐度有关；
v——水流的运动速度。
从公式可知，发射频率f为已知，只要测定声速c和频移fd，即可求出水流速度。
dr0300型adcp主要技术指数如下：
工作频率：307．2 khz；
换能器发射角：20°；
测速范围：±0．01～±10 m／s（水平方向）；
速度分辨率：0．25 cm／s；
测深范围：8．0～130 m。
1．2 流量计算
adcp基于如下的公式计算流量：
qadcp=su•ξds（3）
式中：qadcp——流量；
s——河流某断面部分面积；
u——河流断面某点处流速矢量；
ξ——作业船航迹上的单位法线矢量；
ds——河流断面上面积微元，由下式确定：
ds=|vb|•dz•dt（4）
式中：dz——垂向长度微元，z自河底起算；
dt——时间微元；
vb——船速矢量；
｜vb｜——作业船速度（沿航迹）。
将沿航迹的断面离散为m个微小断面，则公式（3）可以写为：
qadcp=∫t0∫ｈ0u•dz•ξ|vb|•dt=∫ta∫ｈ0cu×vb•k•dzdt=∑mi=1［（v×vb）•k］•hiδt（5）
式中：t——航行时间（跨断面）；
hi——在i测量微小断面处的水深；
m——断面内总的微小断面数目；
δt——相应于测量微小断面的平均时间；
k——垂向单位矢量；
v——相应于测量微小断面的垂线平均流速矢量。
v=1h∫h0u•dz（6）
因存在上、下盲区，垂线平均流速的计算分为中层、表层和底层3部分。
1．2．1 中层流速
中层平均流速由系统直接测出，其值为第一个垂向单元至靠近河底单元（未受到河底干扰）所有单元所测流速之平均：
vxm=1n∑ni=1uxj(7)
式中：uxj——单元j中所测的x向流速分量；
n——微断面中有效单元的数目。
1．2．2 表层流速
由于adcp换能器必须浸入水中一定深度，系统不能直接测出这部分水流速，形成表层盲区，一般采用指数流速分布公式来推求：
uu•=9.5×zz0b（8）
式中：u——高度z处的流速；
u•——河底剪切流速；
z0——河底粗糙高度；
b——经验常数，通常取16。
公式（8）整理后，令ax=9.5u•/zb0，则对x向量流速分量：
ux=axzb（9）
设z1为河底至靠近河底单元（未受河底干扰）的高度，z2为河底至第一个单元的高度，垂向单元长度为dc，则在中层进行积分可得到中层平均流速：
1．2．3 底层流速
由于河底对声束的干扰，在河底存在一干扰区（底盲区），其流速数据不能使用。类似于表层流速的推导过程，底层平均流速的计算公式为：
vxb=dcz(b+1)1z1(zb+12-zb+11∑nj=1uxj
则x方向分量垂线平均流速 计算 公式为：
vx=1h∫h0uxdz=1h［∫z10uxdz+∫z20uxdz+∫hz2uxdz］=1hz1vxb+(z2-z1)vxm+(h-z2)vxt=hbdc(zb+12-zb+11)∑nj=1uxj
同理，y方向各分量与上述各式类似。
1．3 岸边流量估算
由于作业船不可能紧靠岸边测验，adcp不能测出近岸边的流速和流量。可以利用比例内插法来确定岸边流量。根据流量测验规范，岸边流量可由下式估算：
qnb=alhm2vm(11)
式中：α——岸边系数，一般取0．707；
l——岸边至测量起点（或终点）微小断面的距离；
hm——起点（或终点）微小断面处的水深；
vm——起点（或终点）微小断面内的垂线平均流速。
显然，河流某断面流量等于adcp流量qadcp与岸边估算流量qnb之和。
2 比测试验
本次比测试验设在岗南水文站电厂洞出口下游300米处，adcp设备按技术要求安装在三体船上，人工拉动测船运行。
2．1 主要参数
adcp比测主要参数设置深度单元厚度：20cm；深度单元个数：15～25；水体发射脉冲次数：5；底跟踪发射脉冲次数：4；水体含盐度：0．0 ppt；水体测量模式：wm1。
2．2 流量比测
adcp测船分别以测流断面的左岸、右岸为起始标志、结束标志，测船尽可能沿着测流断面线匀速横渡施测。adcp测船以两个往返，来回测验4次为一个测程，取4次流量平均值与电厂流速计作比较。
2．3 水深比测
因为断面比较平整光滑，基本无淤泥，所以将adcp测得水深与断面水尺读数相比较。
3 资料整理 分析
3．1 水深资料
共收集105个样本进行统计计算，分析成果见表1。由表1可知，误差值是有 规律 的，均为负值，说明adcp实测水深系统偏小。为了消除误差，我们将不同等级水深的绝对误差平均值作为改正参数，来修正流量测验中各条垂线水深，修正后比测成果见表2。
3．2 流量资料
本次比测共收集了45个样本，并计算测量成果。从表3来看，adcp实测流量与电厂流速计相比，有较大误差，通过利用水深、流速改正参数对adcp实测资料进行后处理，流量比测精度有大幅度提高，无系统偏差，相对误差≤±10％累积频率达95％以上。
4 结语
通过adcp与常规 方法 进行水深、流速、流量等一系列比测试验，率定有关系数，修正流量值，满足了精度要求。 目前 ，adcp测流仪已正式在石家庄水文水资源勘测局投入使用。
关键词：adcp；流量测验；测深；测速；比测试验
1 adcp基本原理及流量计算
1．1 基本原理
adcp实际上应是一个包括：（1）adcp换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，adcp向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于adcp的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出adcp安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
按多普勒频移方程：
fd＝2 f v／c（1）
式中：fd——多普勒频移；
f——发射频率；
c——超声波在水体中的传播速度，与温度、含盐度有关；
v——水流的运动速度。
从公式可知，发射频率f为已知，只要测定声速c和频移fd，即可求出水流速度。
dr0300型adcp主要技术指数如下：
工作频率：307．2 khz；
换能器发射角：20°；
测速范围：±0．01～±10 m／s（水平方向）；
速度分辨率：0．25 cm／s；
测深范围：8．0～130 m。
1．2 流量计算
adcp基于如下的公式计算流量：
qadcp=su•ξds（3）
式中：qadcp——流量；
s——河流某断面部分面积；
u——河流断面某点处流速矢量；
ξ——作业船航迹上的单位法线矢量；
ds——河流断面上面积微元，由下式确定：
ds=|vb|•dz•dt（4）
式中：dz——垂向长度微元，z自河底起算；
dt——时间微元；
vb——船速矢量；
｜vb｜——作业船速度（沿航迹）。
将沿航迹的断面离散为m个微小断面，则公式（3）可以写为：
qadcp=∫t0∫ｈ0u•dz•ξ|vb|•dt=∫ta∫ｈ0cu×vb•k•dzdt=∑mi=1［（v×vb）•k］•hiδt（5）
式中：t——航行时间（跨断面）；
hi——在i测量微小断面处的水深；
m——断面内总的微小断面数目；
δt——相应于测量微小断面的平均时间；
k——垂向单位矢量；
v——相应于测量微小断面的垂线平均流速矢量。
v=1h∫h0u•dz（6）
因存在上、下盲区，垂线平均流速的计算分为中层、表层和底层3部分。
1．2．1 中层流速
中层平均流速由系统直接测出，其值为第一个垂向单元至靠近河底单元（未受到河底干扰）所有单元所测流速之平均：
vxm=1n∑ni=1uxj(7)
式中：uxj——单元j中所测的x向流速分量；
n——微断面中有效单元的数目。
1．2．2 表层流速
由于adcp换能器必须浸入水中一定深度，系统不能直接测出这部分水流速，形成表层盲区，一般采用指数流速分布公式来推求：
uu•=9.5×zz0b（8）
式中：u——高度z处的流速；
u•——河底剪切流速；
z0——河底粗糙高度；
b——经验常数，通常取16。
公式（8）整理后，令ax=9.5u•/zb0，则对x向量流速分量：
ux=axzb（9）
设z1为河底至靠近河底单元（未受河底干扰）的高度，z2为河底至第一个单元的高度，垂向单元长度为dc，则在中层进行积分可得到中层平均流速：
1．2．3 底层流速
由于河底对声束的干扰，在河底存在一干扰区（底盲区），其流速数据不能使用。类似于表层流速的推导过程，底层平均流速的计算公式为：
vxb=dcz(b+1)1z1(zb+12-zb+11∑nj=1uxj
则x方向分量垂线平均流速 计算 公式为：
vx=1h∫h0uxdz=1h［∫z10uxdz+∫z20uxdz+∫hz2uxdz］=1hz1vxb+(z2-z1)vxm+(h-z2)vxt=hbdc(zb+12-zb+11)∑nj=1uxj
同理，y方向各分量与上述各式类似。
1．3 岸边流量估算
由于作业船不可能紧靠岸边测验，adcp不能测出近岸边的流速和流量。可以利用比例内插法来确定岸边流量。根据流量测验规范，岸边流量可由下式估算：
qnb=alhm2vm(11)
式中：α——岸边系数，一般取0．707；
l——岸边至测量起点（或终点）微小断面的距离；
hm——起点（或终点）微小断面处的水深；
vm——起点（或终点）微小断面内的垂线平均流速。
显然，河流某断面流量等于adcp流量qadcp与岸边估算流量qnb之和。
2 比测试验
本次比测试验设在岗南水文站电厂洞出口下游300米处，adcp设备按技术要求安装在三体船上，人工拉动测船运行。
2．1 主要参数
adcp比测主要参数设置深度单元厚度：20cm；深度单元个数：15～25；水体发射脉冲次数：5；底跟踪发射脉冲次数：4；水体含盐度：0．0 ppt；水体测量模式：wm1。
2．2 流量比测
adcp测船分别以测流断面的左岸、右岸为起始标志、结束标志，测船尽可能沿着测流断面线匀速横渡施测。adcp测船以两个往返，来回测验4次为一个测程，取4次流量平均值与电厂流速计作比较。
2．3 水深比测
因为断面比较平整光滑，基本无淤泥，所以将adcp测得水深与断面水尺读数相比较。
3 资料整理 分析
3．1 水深资料
共收集105个样本进行统计计算，分析成果见表1。由表1可知，误差值是有 规律 的，均为负值，说明adcp实测水深系统偏小。为了消除误差，我们将不同等级水深的绝对误差平均值作为改正参数，来修正流量测验中各条垂线水深，修正后比测成果见表2。
3．2 流量资料
本次比测共收集了45个样本，并计算测量成果。从表3来看，adcp实测流量与电厂流速计相比，有较大误差，通过利用水深、流速改正参数对adcp实测资料进行后处理，流量比测精度有大幅度提高，无系统偏差，相对误差≤±10％累积频率达95％以上。
4 结语
通过adcp与常规 方法 进行水深、流速、流量等一系列比测试验，率定有关系数，修正流量值，满足了精度要求。 目前 ，adcp测流仪已正式在石家庄水文水资源勘测局投入使用。
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