水文流量測(cè)驗(yàn)

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摘要：介紹ADCP基本原理及流量計(jì)算方法，通過(guò)ADCP與管道流量計(jì)同步測(cè)流進(jìn)行對(duì)比，并與常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)深、測(cè)速比測(cè)試驗(yàn)，分析比測(cè)資料，進(jìn)行參數(shù)修正，提高該儀器測(cè)驗(yàn)精度，以達(dá)到正式投入應(yīng)用的目的。

關(guān)鍵詞：ADCP；流量測(cè)驗(yàn)；測(cè)深；測(cè)速；比測(cè)試驗(yàn)

1ADCP基本原理及流量計(jì)算

1．1基本原理

ADCP實(shí)際上應(yīng)是一個(gè)包括：（1）ADCP換能器（4個(gè)探頭）；（2）操作軟件系統(tǒng)；（3）計(jì)算機(jī)及連接設(shè)備等3個(gè)主要部分組成。利用聲學(xué)原理，ADCP向水體發(fā)射一個(gè)（一對(duì)或一組）聲脈沖，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個(gè)頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP的速度。同時(shí)，還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測(cè)出ADCP安裝平臺(tái)（測(cè)船）的運(yùn)動(dòng)速度以及水深，然后將水流相對(duì)速度扣除船速得到水流的絕對(duì)速度。

按多普勒頻移方程：

Fd＝2FV／C（1）

式中：Fd——多普勒頻移；

F——發(fā)射頻率；

C——超聲波在水體中的傳播速度，與溫度、含鹽度有關(guān)；

V——水流的運(yùn)動(dòng)速度。

從公式可知，發(fā)射頻率F為已知，只要測(cè)定聲速C和頻移Fd，即可求出水流速度。

DR0300型ADCP主要技術(shù)指數(shù)如下：

工作頻率：307．2kHz；

換能器發(fā)射角：20°；

測(cè)速范圍：±0．01～±10m／s（水平方向）；

速度分辨率：0．25cm／s；

測(cè)深范圍：8．0～130m。

1．2流量計(jì)算

ADCP基于如下的公式計(jì)算流量：

QADCP=su•ξds（3）

式中：QADCP——流量；

S——河流某斷面部分面積；

u——河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；

ξ——作業(yè)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=|Vb|•dz•dt（4）

式中：dz——垂向長(zhǎng)度微元，z自河底起算；

dt——時(shí)間微元；

Vb——船速矢量；

｜Vb｜——作業(yè)船速度（沿航跡）。

將沿航跡的斷面離散為m個(gè)微小斷面，則公式（3）可以寫為：

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——航行時(shí)間（跨斷面）；

Hi——在i測(cè)量微小斷面處的水深；

m——斷面內(nèi)總的微小斷面數(shù)目；

Δt——相應(yīng)于測(cè)量微小斷面的平均時(shí)間；

k——垂向單位矢量；

V——相應(yīng)于測(cè)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(qū)，垂線平均流速的計(jì)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(tǒng)直接測(cè)出，其值為第一個(gè)垂向單元至靠近河底單元（未受到河底干擾）所有單元所測(cè)流速之平均：

VXM=1n∑ni=1Uxj(7)

式中：Uxj——單元j中所測(cè)的x向流速分量；

n——微斷面中有效單元的數(shù)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(tǒng)不能直接測(cè)出這部分水流速，形成表層盲區(qū)，一般采用指數(shù)流速分布公式來(lái)推求：

UU•=9.5×ZZ0b（8）

式中：U——高度Z處的流速；

U•——河底剪切流速；

Z0——河底粗糙高度；

b——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取16。

公式（8）整理后，令ax=9.5U•/Zb0，則對(duì)x向量流速分量：

Ux=axZb（9）

設(shè)Z1為河底至靠近河底單元（未受河底干擾）的高度，Z2為河底至第一個(gè)單元的高度，垂向單元長(zhǎng)度為Dc，則在中層進(jìn)行積分可得到中層平均流速：

1．2．3底層流速

由于河底對(duì)聲束的干擾，在河底存在一干擾區(qū)（底盲區(qū)），其流速數(shù)據(jù)不能使用。類似于表層流速的推導(dǎo)過(guò)程，底層平均流速的計(jì)算公式為：

VXB=DCZ(b+1)1Z1(Zb+12-Zb+11∑nj=1Uxj

則x方向分量垂線平均流速計(jì)算公式為：

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方向各分量與上述各式類似。

1．3岸邊流量估算

由于作業(yè)船不可能緊靠岸邊測(cè)驗(yàn)，ADCP不能測(cè)出近岸邊的流速和流量。可以利用比例內(nèi)插法來(lái)確定岸邊流量。根據(jù)流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范，岸邊流量可由下式估算：

QNB=aLHm2Vm(11)

式中：α——岸邊系數(shù)，一般取0．707；

L——岸邊至測(cè)量起點(diǎn)（或終點(diǎn)）微小斷面的距離；

Hm——起點(diǎn)（或終點(diǎn)）微小斷面處的水深；

Vm——起點(diǎn)（或終點(diǎn)）微小斷面內(nèi)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(cè)試驗(yàn)

本次比測(cè)試驗(yàn)設(shè)在崗南水文站電廠洞出口下游300米處，ADCP設(shè)備按技術(shù)要求安裝在三體船上，人工拉動(dòng)測(cè)船運(yùn)行。

2．1主要參數(shù)

ADCP比測(cè)主要參數(shù)設(shè)置深度單元厚度：20cm；深度單元個(gè)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；水體含鹽度：0．0ppt；水體測(cè)量模式：wm1。

2．2流量比測(cè)

ADCP測(cè)船分別以測(cè)流斷面的左岸、右岸為起始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志，測(cè)船盡可能沿著測(cè)流斷面線勻速橫渡施測(cè)。ADCP測(cè)船以兩個(gè)往返，來(lái)回測(cè)驗(yàn)4次為一個(gè)測(cè)程，取4次流量平均值與電廠流速計(jì)作比較。

2．3水深比測(cè)

因?yàn)閿嗝姹容^平整光滑，基本無(wú)淤泥，所以將ADCP測(cè)得水深與斷面水尺讀數(shù)相比較。

3資料整理分析

3．1水深資料

共收集105個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析成果見(jiàn)表1。由表1可知，誤差值是有規(guī)律的，均為負(fù)值，說(shuō)明ADCP實(shí)測(cè)水深系統(tǒng)偏小。為了消除誤差，我們將不同等級(jí)水深的絕對(duì)誤差平均值作為改正參數(shù)，來(lái)修正流量測(cè)驗(yàn)中各條垂線水深，修正后比測(cè)成果見(jiàn)表2。

3．2流量資料

本次比測(cè)共收集了45個(gè)樣本，并計(jì)算測(cè)量成果。從表3來(lái)看，ADCP實(shí)測(cè)流量與電廠流速計(jì)相比，有較大誤差，通過(guò)利用水深、流速改正參數(shù)對(duì)ADCP實(shí)測(cè)資料進(jìn)行后處理，流量比測(cè)精度有大幅度提高，無(wú)系統(tǒng)偏差，相對(duì)誤差≤±10％累積頻率達(dá)95％以上。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ADCP與常規(guī)方法進(jìn)行水深、流速、流量等一系列比測(cè)試驗(yàn)，率定有關(guān)系數(shù)，修正流量值，滿足了精度要求。目前，ADCP測(cè)流儀已正式在石家莊水文水資源勘測(cè)局投入使用。