走航式 ADCP 在河流測流中的應(yīng)用

林 楠,祁敏敏,王佑喜

(浙江省河海測繪院,浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

河流流量觀測是水文工作的重要內(nèi)容之一,傳統(tǒng)的方法是流速面積法,使用的儀器是轉(zhuǎn)子式流速儀。這種方法原理簡單、實(shí)用性強(qiáng),但是施測時(shí)費(fèi)工費(fèi)時(shí),結(jié)果計(jì)算繁瑣,效率低,且計(jì)算過程容易出錯(cuò)。ADCP是近十幾年發(fā)展和應(yīng)用的新的流量觀測方法,比傳統(tǒng)的流速儀法效率提高幾十倍,也無需繁瑣的計(jì)算,測流結(jié)束即可直接得到河流流量,是河流流量測量的一次革命。

2 ADCP測流基本原理

ADCP(Acoustic DopplerCurrent Profilers),即聲學(xué)多普勒流速剖面儀,其原理是依據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)。ADCP一般配有4個(gè)換能器,與ADCP軸線成一定夾角,每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器,假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度和水體流速相同,當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí),聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高;當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向背離換能器時(shí),聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率低,這種現(xiàn)象即聲學(xué)多普勒頻移。

ADCP通過“水跟蹤”測得水流相對于ADCP安裝平臺(tái)的速度,也就是由水中顆粒的回波測量得到。移動(dòng)平臺(tái)的速度通過 “底跟蹤”測得,即接收和處理由河底的回波信號跟蹤河底的運(yùn)動(dòng)得到,或由GPS算出。

ADCP基于公式 (1)計(jì)算流量:

式中:Q為流量 (m3/s);S為沿測船航跡斷面面積(m2);為測船航跡斷面某微元處流速矢量;為測船航跡上的單位法線矢量;dS為測船航跡斷面上微元面積。

3 觀測實(shí)例

本文以某專用水文站為期13個(gè)月的實(shí)測流量數(shù)據(jù)為依據(jù),該水文站站址處江道順直勻整、江床穩(wěn)定,江寬約260 m,水流集中無分流、岔流、斜流、回流、死水等現(xiàn)象。

3.1 作業(yè)方法

觀測方法采用傳統(tǒng)流速儀法和走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)全斷面流量觀測2種方法同步開展。ADCP采用美國RDI公司生產(chǎn)的瑞江600 kHz寬帶ADCP。

3.1.1 傳統(tǒng)流速儀法

在測流斷面上布設(shè)了4條垂線(見圖1),采用一船多線法,用直讀式流速儀進(jìn)行測點(diǎn)流速 (流向)觀測。測點(diǎn)分層依水深而定,當(dāng)水深＞4 m時(shí)按6點(diǎn)法(表層,0.2,0.4,0.6,0.8 H,底),當(dāng)4 m＜水深＞2 m時(shí)按3點(diǎn)法(0.2,0.6,0.8 H),當(dāng)水深＜2m時(shí)按1點(diǎn)法 (0.6 H)。流速儀的安裝使用水文絞車。

圖1 斷面及測流垂線布設(shè)圖

3.1.2 走航式ADCP觀測

將ADCP直接與計(jì)算機(jī)連接,使用WinRiver軟件即能在測船沿測流斷面方向航行時(shí)直接測出斷面流量。其斷面線導(dǎo)航定位采用GPSRTK技術(shù)進(jìn)行。

3.2 作業(yè)方法比較

從理論上講,ADCP流量測量原理與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法相同,是將測流斷面分成若干個(gè)子斷面,在每個(gè)子斷面內(nèi)測量垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速并測量水深,從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量,再將各子斷面的流量疊加得到整個(gè)斷面的流量。但是它們之間存在著很大的差別:

(1)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法是靜態(tài)的,ADCP是動(dòng)態(tài)的,可在隨測船運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)子式流速儀法要求測流斷面垂直于河岸,ADCP法在走航測量中,測船的航跡可以是斜線或曲線,極大地方便了施測作業(yè)。

(2)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法采樣費(fèi)時(shí),通常不會(huì)將子斷面劃分得很細(xì),垂線流速的測量點(diǎn)不多。因斷面江寬只有約260m,故測流垂線只布設(shè)了4條。而ADCP由于采樣速率很高,只需5～8min即可在此斷面完成1次流量觀測,將子斷面劃分得很細(xì)(可稱為微斷面),垂線流速測量點(diǎn)較多,相當(dāng)于多臺(tái)流速儀同時(shí)測量。

(3)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀受儀器本身的測速范圍(0.05～4.50m/s)影響,當(dāng)流速過快或過慢時(shí),影響其測量精度,尤其是慢流速時(shí),流速儀還會(huì)受到水文絞車?yán)K索的影響,而ADCP的測速范圍為0.01～10.00m/s,范圍較寬,且在流速較慢、水深較淺時(shí)還可使用淺水模式施測,更好地提高了測流精度。ADCP是聲學(xué)設(shè)備,受含沙量的影響。半潭斷面在為期13個(gè)月的觀測中,實(shí)測最大垂線含沙量僅為0.600 kg/m3,不影響測流精度。

3.3 ADCP的應(yīng)用情況

(1)測流情況。用1付撐桿及繩索將ADCP固定在測船一側(cè),探頭垂直朝下,為減小測船船體對ADCP儀器的影響,測船采用了充氣橡皮船。在觀測時(shí),為提高精度,每測次往、返觀測2次,取平均值作為觀測結(jié)果。

(2)岸邊流量處理。在每次測量結(jié)束時(shí),即可得到斷面流量。在施測時(shí)斷面南、北岸距離靠肉眼估定,岸邊流量存在誤差,為消除此誤差,只需結(jié)合實(shí)測水位和實(shí)測斷面數(shù)據(jù),以及實(shí)測起、終點(diǎn)坐標(biāo),算出各個(gè)測量時(shí)段的真實(shí)南、北岸距離,在WinRiver軟件的回放模式下,在設(shè)置—配置設(shè)置—岸邊流量估算中將兩岸距離改成實(shí)際距離即可 (見圖2)。

圖2 岸邊距離處理圖

(3)對比工作。將流速儀法計(jì)算得到的斷面平均流速、流量及結(jié)合水位和實(shí)測斷面數(shù)據(jù)得到的斷面面積與ADCP儀器測得的結(jié)果進(jìn)行對比,表1為部分比測結(jié)果。

表1 部分比測結(jié)果表

由表1可知,在一般情況下傳統(tǒng)的流速儀法計(jì)算得到的斷面平均流速、斷面面積和流量與ADCP測得的相比差值很小,因此ADCP在河流流量測量中是完全可行的。

(4)斷面測量中可能影響ADCP測量精度的因素分析。理論上ADCP走航測量中,測船的航跡可以是斜線或曲線,但前提是起、終點(diǎn)必須在斷面線上,使用GPSRTK定位時(shí),天線盤和ADCP的位置,以及定位誤差都可能使實(shí)際的起、終點(diǎn)偏離斷面線,從而產(chǎn)生測流誤差,還會(huì)使得計(jì)算得到的南、北岸距離產(chǎn)生誤差,從而影響岸邊流量估算。在實(shí)際測流過程中,為盡可能地減小誤差,將天線盤安裝于ADCP的垂直正上方。因此斷面的河底以大粒卵石為主,當(dāng)洪水期流速較快的時(shí)候,可能產(chǎn)生河底推移質(zhì)運(yùn)動(dòng),使得ADCP底跟蹤測量的船速出現(xiàn)偏差,從而導(dǎo)致流速及流量測量偏小。

4 結(jié) 語

ADCP因其測流歷時(shí)短、效率高在河流測流領(lǐng)域得到廣

泛地應(yīng)用。實(shí)際施測結(jié)果表明,ADCP在流況簡單、含沙量較小、河床穩(wěn)定的河流流量測量中是可行的。但在含沙量大、河底推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)明顯的河流使用是否可行,以及如何減小誤差還有待探討。ADCP走航式流量測量只是其中一種功能,在定點(diǎn)測流等其它方面的應(yīng)用也值得人們?nèi)ヌ剿髋c實(shí)踐。

[1].中華人民共和國水利部.GB 50179—93河流流量測驗(yàn)規(guī)范[S]..北京:中國計(jì)劃出版社,1994.

[2].田淳,劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用[M]..鄭州:黃河水利出版社,2003.