ADCP在水文流量测验中的应用研究 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:??
F?d=2 F V/C(1)?
式中:F?d——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:?
Q???ADCP??=?su?ξds(3)?
式中:Q???ADCP??——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=|V?b|?dz?dt(4)?
式中:d?z——垂向长度微元,z自河底起算;?
d?t——时间微元;?
V?b——船速矢量;?
|V?b|——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:?
Q???ADCP??=∫T0∫H0u?dz?ξ|V?b|?dt=∫Ta∫H0cu×V?b?k?dzdt=∑mi=1[(V×V?b)?k]?H?iΔt(5)?
式中:T——航行时间(跨断面);?
H?i——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:?
V???XM?=1n∑ni=1U???xj?(7)?
式中:U???xj?——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×ZZ??0?b(8)?
式中:U——高度Z处的流速;?
U??——河底剪切流速;?
Z?0——河底粗糙高度;?
b——经验常数,通常取16。?
公式(8)整理后,令a??x=9.5U???/Z??b??0,则对x向量流速分量:?
U??x=a??xZ?b(9)?
设Z??1为河底至靠近河底单元(未受河底干扰)的高度,Z?2为河底至第一个单元的高度,垂向单元长度为D?c,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:?
V??XB?=D?CZ??(b+1)???1Z??1(Z???b+1???2-Z???b+1???1∑nj=1U???xj??
则x方向分量垂线平均流速计算公式为:?
V?x=1H∫H0U?xdz=1H[∫Z?10U?xdz+∫Z?20U?xdz+∫HZ?2U?xdz]=?1HZ?1V??XB?+(Z?2-Z?1)V??XM?+(H-Z?2)V??XT?=?H?bD?C(Z??b+1??2-Z??b+1??1)∑nj=1U??xj??
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:?
Q??NB?=aLH?m2V?m(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;
H?m——起点(或终点)微小断面处的水深;
V?m——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。
