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1、1走走航航式式 ADCPADCP 在水文测验中的应用浅识在水文测验中的应用浅识【摘要 】过去，水文工作者大量使用单点式流速仪测量流速；现在，我们手中增加了一种先进的测流仪声学多普勒测流剖面仪，它对于水文测验工作来说，确实是一项革命性的先进技术，相信在不久的将来，它会获得十分广泛的应用本文通过阐述 ADCP 的基本原理和应用方式，说明采用 ADCP 进行水文测验具有高频、高效的特点，其成果精度高可靠度高。随着水文巡测的开展，水文测验要求的提高，推广ADCP 在水文测验中的应用在技术和规范方面存在着局限性。建议尽快制定相关规范规定，推动水文现代化进程。关键词关键词：ADCP 阿坝 水文 测验1 1
2、. .走航式走航式 ADCPADCP 的基本原理的基本原理ADCP 是声学多普勒流速剖面仪的英文简称，即Acoustic Doppler Current Profilers，它是由美国 RDI 公司于 20 世纪 80 年代研制出来的新仪器。1.11.1 声学多普勒原理：声学多普勒原理：声学多普勒效应就是，当声源与接受物体以相对速度V 相对运动时，接受物 体所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同，称之为多普勒效应。由多普 勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V 成正比，与振动的频 率成反比。1.1.1 走航式走航式 ADCP 测测量原理：量原理：ADCP 利用声学多普勒效应
3、进行测流。换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰 到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP 所接收。悬浮物 质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频 移：CVFFsd2Fd：声学多普勒频 率 Fs：发射声波的频率 V：颗粒物沿声波方向的移动速度 C：声波在水中的传播速度 从理论上讲，走航式ADCP 流量测量原理与传统的人工船测或缆道测量等的基 本原理一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流 速，计算得到垂线的平均流速。 走航式 ADCP 实测的是断面中部区域内的流速，这个区域称为ADCP 实测区。 另有四个小区域（ 水面
4、区域：厚度为ADCP 换能器的入水深度加上ADCP 的盲2区。 河底区域：河底接口对声波的干扰而造成的盲区，或者称之为旁瓣区。 岸边区域：由于靠岸边水较浅，测量船只不能靠近而造成不能直接测量），由于 测船不能靠近，或者因ADCP 本身的原因，不能实测，称为非实测区。水面、河底 区域、岸边区域的流量可通过实测区资料的外延来估算。河2.2. 走航式走航式 ADCPADCP 的特点的特点 传统测量方法是采用静态方式，无论是人工船测、缆道测量等等，仪器总是固 定于所测垂线上进行测量，而ADCP 是动态测量方法，随测量船只运动过程中进行 测量， 不受河宽的限制。 传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸，而
5、ADCP 测量过程中不要求测流 断面垂直于河岸，船的航行轨迹可以是斜线或曲线。 适合巡测，单一工作模式（适用于所有的河道） ，测量历时短，只需几分钟；可以在 浅水中测流，最小水深可为 0.3m，最小流速可为 1cm/s；可以测得三维的流速分量。 .简单易学的 Windows 平台的 RiverSurveyor 软件。走航式 ADCP（RiverSurveyor）的应用3.3. 数据采集数据采集为了计算流量， ADCP 在测量时需要以下几个数据：（1）水的相对速度 （2）船速（ 3）水深（ 4）船的航行轨迹。走航式的 ADCP 安装在特制的三体船上，是将仪器的水下换能器垂直固定在船舷边 或船头，
6、横越测流断面（从断面一岸移向另一岸）时利用超声波不断测量水深，同时 利用多普勒测速原理测得水体相对于测船的流速和测船相对于河床的运动速度 (即船速 )，根据两速度的向量差得到水流的真实流速。测船的航迹通过船速和航向 计算而得，通过以上步骤可以确定所测垂线的正确位置。即可采集到计算流量所3需的全部资料，包括河流深度、水流速度和仪器在河流中的水平位置，该位置是使用底跟 踪技术通过对河底速度测量算出的。岸边区域的离岸水平距离可采用电子测距仪器测量；或者预先在河中立测船起止 的标志杆，预先已知该距离；每次走航前，将离岸距离值输入ADCP，同时输入 岸边流速系数（根据测验规范，斜坡的系数为0.670.7
7、5, 陡坡的系数为 0.80.9）。3.13.1 数据处理数据处理3.1.1 实测实测流量流量计计算算Ns = 采样的断面数（剖面数） ； I= 采样断面； d= 采样断面的深度； Vxm = 实测 X 方向分量的流速； Vym = 实测 Y 方向分量的流速； Vbx = 实测 X 方向分量的船速； Vby = 实测 Y 方向分量的流速； dz = 水深微分； t= 每二个采样断面之间的历时。3.1.2 水面和河底流量的估算水面和河底流量的估算用于明渠相当于曼宁公式的河岸计算方法： u = 从河底开始测量的水深 Z 处的流速； u* = 河底的切线流速； z = 从河底起的高度； z0 = 河
8、底的粗糙高度； 1/6 = 指数； 9.5 = 常数。 水面层流速的解析（同样适用于 Y 方向）iNidibxymbyxmmtdzVVVVQsi 106105.9 zzuu njxjbbbb cxTuZZZHZHDV 11 11 221 214河底流速的解析（同样适用于 Y 方向）常数方法：水面层流量 (适用于岸边和常数方法)：河底流量 (适用于岸边和常数方法)：3.1.3 岸岸边边流量的估算流量的估算斜坡（比例插补的方法）L= 第一个/最后一个有效剖面处到岸边的距离； dm= 第一个/最后一个有效剖面处的深度； Vm =第一个/最后一个有效剖面处的平均流速。 垂直河岸（经验方法）Vd= 非实
9、测部分的平均流速将公式 A 代入公式 B 中： njxjbbb c xBuZZZZDV 11 11 211 1firstxxTVV,lastxxBVV, tZVVVVQi imibxyBbyxBB 1mmNBVdLQ2707.0L/dm data 0.00 0.65 0.25 0.90 0.50 0.95 1.00 1.00 mdLdmeVV435.01A.L mmNBdxdVQ 0BmmdLdL mmmNB eeLdLVdQ 4435.011435.01 tZHVVVVQi imibxyTbyxTT2 15总实测+估算4.4. 走航式走航式 ADCPADCP 与传统流速仪的比较分析与传统流速
10、仪的比较分析从理论上讲， 走航式 ADCP 流量测量原理与传统的转子式流速仪法相同（桥测、 缆道、涉水），是将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上一点 或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量。再将各子断面的流 量叠加得到整个断面的流量。但不同之处是：传统的转子式流速仪法是静态方 法，流速仪是固定的。 走航式 ADCP 是动态方法，可在随测船运动的过程中进行测 量； 由于用传统的转子式流速仪法采样费时，通常不会将子断面划分的很细，垂 线流速的测量点也不可能很多。而走航式 ADCP 由于采样速率很高，可以将子断面 划分的很细（可称为微断面），垂线流速测量点也可以很多，
11、相当于多台流速仪同 时测量； 传统的转子式流速仪法要求测流断面垂直于河岸，走航式 ADCP 方法 无此项要求，测船的航迹可以是斜线或曲线。6.ADCP6.ADCP 在水文测验的应用前景分析在水文测验的应用前景分析ADCP 作为当今世界上最先进的测验设备，在国外已经得到广泛的应用，在我国 已有不少成功应用的实例，比如海洋勘测、水库测量、海口测验、长江水文测验等 等，其测验的高效性和极高的自动化程度得到了应用人员的好评。目前随着 ADCP 技术的发展，测验单元、测验盲区不断减小，随首水文现代化建设的需要，探 索新的测量方法，提高测量精度，缩短测量历时，实现高频次测量，已成为目前急 需解决的问题，
12、ADCP 的应用能够实现流量的在线监测，掌握和了解流量的动态变化， 为水环境保护和防汛抗旱提供实时流量信息，在提高测验的精度、效率和安全性的 同时，也大大降低了测验人员的劳动强度。但是，也有一些 有待解决的问题：采用 ADCP 测验速度快、效率高，一般情况下要以来回两次测量的平均值作 为最后的测量成果，由于两次测量的线路不一定相同，并且不一定在要求的测验断 面上，这就给要求严格的测验资料带来了不便。例如水道断面面积、水面宽、最大 水深和最大流速等水文要素如何表示，需要克服ADCP 的测验成果与传统测验成 果的衔接问题。：ADCP 是声学测验设备，较多的泥沙颗粒或水草将会削弱仪器声波的发射和 接
13、收，所以测量成果在含沙量较大和水草茂密的河道上会对精度有较大的影响。由6于 ADCP 采用的是底跟踪技术，因此要求测量河道的最小 水深最低不少于 0.3m，这样在小流域的小河流上并不实用（如九寨沟流域的扎如沟）。：ADCP 进入我国尚未经过仪器设备的严格检测和技术部门的技术认定，仪器 的使用范围、测量成果精度和可靠性缺乏保障，按照目前国内对新仪器的应用推广 要求看，由于国内没有完整的技术指针，制约了该仪器在常规流速测量和流量测验 中的推广使用。：目前我局正在对新购的ADCP 进行对比测验分析，具体的测验使用情况和 比测分析成果，待下阶段才能完成。7.7. 结束语结束语ADCP 的原理及应用方式具有的优势，与当前对水文测验提出的高频、在线、实 时的要求相适应，具有广泛的应用前景，积极推广在水文测验中的应用也是十分必 要和紧迫的。但是由于主观和客观两方面的局限性，其推广应用还需要开展大量的 工作。 部水文局局已于2006 年 7 月 1 日出台了 声学多普勒流量测验规范， 相信随着该规范的正式实施，ADCP 将会成为我国河流流量测量的常规仪器。参考文献：1ADCP 说明书 2声学多普勒流量测验规范SL337-2006
