ADCP測流與傳統(tǒng)測流的對比及應(yīng)用

摘 要：流量測驗是水文工作的重要任務(wù)之一，傳統(tǒng)的河流流量測驗主要采用單點流速儀法，廣泛運用在人工船測、橋測、纜道、涉水測量等，既費時效率也很低。ADCP的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲全部通過電腦控制操作，自動化程度高。ADCP的使用比傳統(tǒng)測驗方法提高效率幾十倍，標(biāo)志著河流流量測驗的現(xiàn)代化，被稱為是流量測驗領(lǐng)域的一次革新。

關(guān)鍵詞：ADCP測流；傳統(tǒng)測流；多普勒；北川水文站

中圖分類號: TV8?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791(2011)02(b)-0000-00

1ADCP 測流原理

ADCP是20 世紀(jì)80 年代初發(fā)展起來的一種利用聲學(xué)多普勒原理測量水流速剖面的儀器， 根據(jù)測定水體中微顆粒聲后向散射的多普勒頻移來測量水體速度。它的換能器發(fā)射出一定頻率的脈沖， 該脈沖碰到水體中的懸浮物質(zhì)后產(chǎn)生后向散射回波信號。由于懸浮物質(zhì)隨流漂移， 使該回波信號頻率與發(fā)射頻率之間產(chǎn)生一個頻差， 即多普勒頻移。根據(jù)這一頻移的大小和符號(正負(fù))， 即能計算出流速和流向。由于聲速在一定深度范圍內(nèi)(表層至幾百米深度) 的水體中的傳播速度基本不變， 根據(jù)聲波由發(fā)射到接收的時間差便可確定深度。一臺ADCP可以頂替若干臺傳統(tǒng)的流速儀， 在使用ADCP 測流時， 設(shè)置不同厚度的深度單元， 即將測流斷面分成若干個子斷面， 利用不斷發(fā)射的聲波， 確定一定的發(fā)射時間間隔及滯后， 通過多普勒頻以及譜寬度的估算， 便可得到整個水體剖面逐層上水體的流速; 在每個子斷面內(nèi)測量垂線上一點或多點流速并測量水深從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量， 再將各個子斷面的流量迭加， 即得整個斷面流量。

2ADCP 測流與傳統(tǒng)測流比較

1、ADCP 方法與傳統(tǒng)方法的相同點ADCP 測流與傳統(tǒng)流速儀法的基本原理一樣， 都是將整個測流斷面劃分為許多子斷面(即布設(shè)多條垂線)，在每個子斷面中垂線處測量水深并測量多點的流速從而得到垂線(即子斷面)平均流速。

2、ADCP 方法與傳統(tǒng)方法的不同

( 1) 傳統(tǒng)流速儀法是靜態(tài)方法， 流速儀是固定的; ADCP 方法是動態(tài)方法，ADCP 在隨測量船運動過程中進(jìn)行測量。

( 2) 傳統(tǒng)流速儀法要求測流斷面垂直于河岸; ADCP 方法不要求測流斷面垂直于河岸， 測船航行的軌跡可以是斜線或曲線， 大大方便了施測作業(yè)。

( 3) 一般一個河流斷面只設(shè)5～7 個測點， 每個測點測3～5 個不同深度上的流速。常規(guī)流速儀是單點式測量儀器， 無論是用什么原理測流， 當(dāng)它被布放在某一深度層時， 都只能測出該層的流速;而ADCP 在船只航行過程中的采樣率很高， 即可以測到非常多的“ 測點”，而在每個測點上可以測到幾十個不同深度的流速值， 實際上它是用積分的方法求出的， 因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量上有了很大的提高。

( 4) 傳統(tǒng)的河流測量方法一直沿用測深桿測深， 六分儀(或起點距標(biāo)志牌)定位， 流速儀(或浮標(biāo))測速。手工計算、費工費時、效率低; 而ADCP 測流突破了傳統(tǒng)的以機(jī)械轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)子式傳感流速儀的局限性， 具有可直接測出斷面流速、不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等優(yōu)點。

3ADCP測流與傳統(tǒng)測流應(yīng)用實例

本次比測在涪江通口河北川水文站進(jìn)行，ADCP設(shè)備按技術(shù)要求安裝在測船上。

1、北川站概況

位于四川北川羌族自治縣曲山鎮(zhèn)茅壩村通口河右岸，集水面積3386Km2，域內(nèi)河長104Km，至河口距離41Km。測驗河段順直長約300m，中斷面下130m有一彎道，低水為下游灘口控制，中高水為下游彎道控制，流速儀測流斷面形狀“U”型，河床由沙卵石組成，本河段洪水主要由上游暴雨形成，具有匯流歷時短、峰高量大、陡漲陡落的特點。該測流斷面設(shè)有12條測速測深垂線。

2、比測方案

ADCP比測主要參數(shù)設(shè)置：深度單元厚度1m；深度單元個數(shù)15-25；

水體發(fā)射脈沖次數(shù)5；底跟蹤發(fā)射脈沖次數(shù)4;水體測量模式4。

( 1)流量比測。與流速儀常規(guī)測流同步。ADCP測船分別以測流斷面的第1條和第12條垂線分別為起始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志，測船盡可能沿著測流斷面線勻速橫渡施測。ADCP測船于常規(guī)測法的開始、結(jié)束兩個時段來回測驗4次，取4次流量平均值與該次常規(guī)流速儀法作比較。

( 2)水深比測。將ADCP測船沿著測流斷面線和斷面上游比較深、水流較為復(fù)雜的河段與常規(guī)測深儀同步測深。

( 3)定點流速比測。將ADCP測船固定在斷面任一條垂線上，船右邊采用常測法五點法，100s施測流速；船左邊采用ADCP同步采集信息，ADCP在相應(yīng)測次的開始、結(jié)束時各采樣一次，取二次流速平均值與常規(guī)流速儀法做比較。比測時按垂線平均流速五個等級采樣， 它們分別為0.00～0.50，0.50～1.00，1.00～1.50，1.50～2.00，2.00～2.50，單位為m/s。

3、資料整理分析

( 1)水深資料。共收集105 個樣本進(jìn)行統(tǒng)計計算，誤差值是有規(guī)律的，均為負(fù)值，說明ADCP實測水深系統(tǒng)偏小。為了消除誤差，將不同等級水深的絕對誤差平均值作為改正參數(shù)，來修正流量測驗中各條垂線水深。

( 2)定點流速資料。共收集了99 個比測樣本，ADCP軟件采用指數(shù)方程來擬合測速垂線的流速分布。為了將系統(tǒng)誤差控制在±1%以內(nèi)，將常測法垂線平均流速與ADCP法計算出垂線平均流速相除，計算出相對系數(shù)，取平均值作為流速改正參數(shù)，來修正ADCP測速資料，提高比測成果的精度。

( 3)流量資料。本次比測共收集了45個樣本，并計算測量成果。從表4來看，ADCP實測流量與常規(guī)流速儀法相比，有較大誤差，通過利用水深、流速改正參數(shù)對ADCP實測資料進(jìn)行后處理，流量比測精度有大幅度提高，無系統(tǒng)偏差，相對誤差≤±10%，累積頻率達(dá)95%以上。

4、綜上所述

通過ADCP與常規(guī)方法進(jìn)行水深、流速、流量等一系列比測試驗，率定有關(guān)系數(shù)、修正流量值，滿足了精度要求，并且達(dá)到了比較目的。

4結(jié)語

用ADCP進(jìn)行流量測驗，采集的數(shù)據(jù)直接顯示，相當(dāng)直觀，而且測流歷時短，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，精度高。操作熟練后，大大縮短了測流時間，減輕了勞動強(qiáng)度，增加了安全性。尤其在寬斷面、大流量的測流中更能體現(xiàn)其快速靈活和實效的特點。

ADCP 測流技術(shù)因其測量方法的優(yōu)越性， 明顯高于傳統(tǒng)測量方法， 是一項革命性的先進(jìn)技術(shù)， 將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 姚章民.聲學(xué)多普勒水流剖面儀在河流流量測量中的應(yīng)用[J]. 2002(6).

[3] GB50179-93，河流流量測驗規(guī)范[S].

[4]水利電力部水利司.水文測驗手冊[M].北京.水利出版社.1980.

1作者簡介：饒西平（1954.3-），男，四川遂寧，學(xué)歷：中專，職稱：中級工程師，研究方向：水文水資源。