水文流量測驗
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摘要：介紹ADCP基本原理及流量計算方法，通過ADCP與管道流量計同步測流進行對比，并與常規方法進行測深、測速比測試驗，分析比測資料，進行參數修正，提高該儀器測驗精度，以達到正式投入應用的目的。
關鍵詞：ADCP；流量測驗；測深；測速；比測試驗
1ADCP基本原理及流量計算
1．1基本原理
ADCP實際上應是一個包括：（1）ADCP換能器（4個探頭）；（2）操作軟件系統；（3）計算機及連接設備等3個主要部分組成。利用聲學原理，ADCP向水體發射一個（一對或一組）聲脈沖，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運動的微粒后產生反射波，并記錄發射波與反射波之間的頻率改變，這個頻率改變即稱多普勒頻移，可據此計算出水流相對于ADCP的速度。同時，還向河底發射底跟蹤聲脈沖，測出ADCP安裝平臺（測船）的運動速度以及水深，然后將水流相對速度扣除船速得到水流的絕對速度。
按多普勒頻移方程：
Fd＝2FV／C（1）
式中：Fd——多普勒頻移；
F——發射頻率；
C——超聲波在水體中的傳播速度，與溫度、含鹽度有關；
V——水流的運動速度。
從公式可知，發射頻率F為已知，只要測定聲速C和頻移Fd，即可求出水流速度。
DR0300型ADCP主要技術指數如下：
工作頻率：307．2kHz；
換能器發射角：20°；
測速范圍：±0．01～±10m／s（水平方向）；
速度分辨率：0．25cm／s；
測深范圍：8．0～130m。
1．2流量計算
ADCP基于如下的公式計算流量：
QADCP=su•ξds（3）
式中：QADCP——流量；
S——河流某斷面部分面積；
u——河流斷面某點處流速矢量；
ξ——作業船航跡上的單位法線矢量；
ds——河流斷面上面積微元，由下式確定：
ds=|Vb|•dz•dt（4）
式中：dz——垂向長度微元，z自河底起算；
dt——時間微元；
Vb——船速矢量；
｜Vb｜——作業船速度（沿航跡）。
將沿航跡的斷面離散為m個微小斷面，則公式（3）可以寫為：
QADCP=∫T0∫H0u•dz•ξ|Vb|•dt=∫Ta∫H0cu×Vb•k•dzdt=∑mi=1［（V×Vb）•k］•HiΔt（5）
式中：T——航行時間（跨斷面）；
Hi——在i測量微小斷面處的水深；
m——斷面內總的微小斷面數目；
Δt——相應于測量微小斷面的平均時間；
k——垂向單位矢量；
V——相應于測量微小斷面的垂線平均流速矢量。
V=1H∫H0u•dz（6）
因存在上、下盲區，垂線平均流速的計算分為中層、表層和底層3部分。
1．2．1中層流速
中層平均流速由系統直接測出，其值為第一個垂向單元至靠近河底單元（未受到河底干擾）所有單元所測流速之平均：
VXM=1n∑ni=1Uxj(7)
式中：Uxj——單元j中所測的x向流速分量；
n——微斷面中有效單元的數目。
1．2．2表層流速
由于ADCP換能器必須浸入水中一定深度，系統不能直接測出這部分水流速，形成表層盲區，一般采用指數流速分布公式來推求：
UU•=9.5×ZZ0b（8）
式中：U——高度Z處的流速；
U•——河底剪切流速；
Z0——河底粗糙高度；
b——經驗常數，通常取16。
公式（8）整理后，令ax=9.5U•/Zb0，則對x向量流速分量：
Ux=axZb（9）
設Z1為河底至靠近河底單元（未受河底干擾）的高度，Z2為河底至第一個單元的高度，垂向單元長度為Dc，則在中層進行積分可得到中層平均流速：
1．2．3底層流速
由于河底對聲束的干擾，在河底存在一干擾區（底盲區），其流速數據不能使用。類似于表層流速的推導過程，底層平均流速的計算公式為：
VXB=DCZ(b+1)1Z1(Zb+12-Zb+11∑nj=1Uxj
則x方向分量垂線平均流速計算公式為：
Vx=1H∫H0Uxdz=1H［∫Z10Uxdz+∫Z20Uxdz+∫HZ2Uxdz］=1HZ1VXB+(Z2-Z1)VXM+(H-Z2)VXT=HbDC(Zb+12-Zb+11)∑nj=1Uxj
同理，y方向各分量與上述各式類似。
1．3岸邊流量估算
由于作業船不可能緊靠岸邊測驗，ADCP不能測出近岸邊的流速和流量?？梢岳帽壤齼炔宸▉泶_定岸邊流量。根據流量測驗規范，岸邊流量可由下式估算：
QNB=aLHm2Vm(11)
式中：α——岸邊系數，一般取0．707；
L——岸邊至測量起點（或終點）微小斷面的距離；
Hm——起點（或終點）微小斷面處的水深；
Vm——起點（或終點）微小斷面內的垂線平均流速。
顯然，河流某斷面流量等于ADCP流量QADCP與岸邊估算流量QNB之和。
2比測試驗
本次比測試驗設在崗南水文站電廠洞出口下游300米處，ADCP設備按技術要求安裝在三體船上，人工拉動測船運行。
2．1主要參數
ADCP比測主要參數設置深度單元厚度：20cm；深度單元個數：15～25；水體發射脈沖次數：5；底跟蹤發射脈沖次數：4；水體含鹽度：0．0ppt；水體測量模式：wm1。
2．2流量比測
ADCP測船分別以測流斷面的左岸、右岸為起始標志、結束標志，測船盡可能沿著測流斷面線勻速橫渡施測。ADCP測船以兩個往返，來回測驗4次為一個測程，取4次流量平均值與電廠流速計作比較。
2．3水深比測
因為斷面比較平整光滑，基本無淤泥，所以將ADCP測得水深與斷面水尺讀數相比較。
3資料整理分析
3．1水深資料
共收集105個樣本進行統計計算，分析成果見表1。由表1可知，誤差值是有規律的，均為負值，說明ADCP實測水深系統偏小。為了消除誤差，我們將不同等級水深的絕對誤差平均值作為改正參數，來修正流量測驗中各條垂線水深，修正后比測成果見表2。
3．2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3來看，ADCP實測流量與電廠流速計相比，有較大誤差，通過利用水深、流速改正參數對ADCP實測資料進行后處理，流量比測精度有大幅度提高，無系統偏差，相對誤差≤±10％累積頻率達95％以上。
4結語
通過ADCP與常規方法進行水深、流速、流量等一系列比測試驗，率定有關系數，修正流量值，滿足了精度要求。目前，ADCP測流儀已正式在石家莊水文水資源勘測局投入使用。
