| 标题 | 走航式多普勒流速仪在上虞东山站的应用 |
| 范文 | 俞国强 【摘 要】多普勒流速仪（ADCP）利用声学多普勒原理测量水流剖而的流速，是一种新型高精度流体测流仪器。文章以上虞东山站为例，详细地阐述了ADCP的原理及流量计算方法，并对比比较了ADCP与传统流速仪的作业方法与测量结果。ADCP的合理使用可以为未来河道开发治理、水资源管理和防洪减灾提供科学依据。 【关键词】多普勒流速仪；流量测量；对比测试 【中图分类号】TV122 【文献标识码】B 【Abstract】ADCP using the acoustic Doppler principle to measure the velocity of flow profile， it is a new type of high precision flow measuring instrument. In this paper， the principle and flow calculation method of ADCP are described in Dongshan Railway Station. The operation method and measurement results of ADCP and traditional flow meter are compared. The rational use of ADCP can provide scientific basis for future river management， water resources management and flood control and disaster mitigation. 【Key words】Acoustic Doppler Current Profiler；Flow Measurement；Comparative Test 1. 背景概況 （1）上虞东山站位于曹娥江干流的浙江省绍兴市上虞区上浦镇上浦村覆船山段，该段测验河段顺直，左岸为岩石山，右岸为标准堤，控制流域面积为4459平方公里，断面跨度325米，河宽302米。上虞东山站于2010年9月竣工并投入使用，现有测验项目：雨量、流量、水位、含沙量、水温、水质、水面蒸发等'主要负责收集、分析、整编所辖区内的水文资料、代办站管理与遥测仪器维护，据此向各级政府、防汛部门提供及时准确的水情情报预报信息。 （2）河流流量观测是水文工作的重要内容之一，传统的方法是流速面积法，使用的仪器是转子式流速仪。这种方法原理简单、实用性强，但是施测时费工费时，结果计算繁琐，效率低，且计算过程容易出错。ADCP是近十几年发展和应用的新的流量观测方法，比传统的流速仪法效率提高几十倍，也无需繁琐的计算，测流结束即可直接得到河流流量，是河流流量测量的一次革命。 2. 工作原理及流量计算 2.1 ADCP通过向水中发射固定频率的声波短脉冲，利用水中颗粒的回波频率来测量流速，在碰到水中的颗粒物时，发射的声波脉冲会发生背散射，ADCP接受到回波信号并处理得到流速。ADCP首先测量的是沿声束方向的流速分量。利用声束角将声束坐标下的流速分量转换成ADCP坐标下的流速分量，继而通过罗盘提供的方向、倾斜计提供的纵摇和横摇数据，将AD-CP坐标下的流速分量转换成地球坐标下的流速分量。我们使用的ADCP配备有四个换能器，与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器发射某一固定频率的声波。假定颗粒物的运动速度与水体流速相同。当颗粒物从远处接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率高。当颗粒物背离换能器运动时，换能器接收到的回波频率比发射波频率低，因颗粒物的运动而引起频率的改变称为声学多普勒频移。 2.2 ADCP流量计算基于如下公式： 3. ADCP与传统流速仪比测分析 本文以上虞东山站某测量断面为期12个月的实测流量数据为依据，该测量断面处江道顺直匀整、江床稳定，江宽约240m，水流集中无分流、岔流、斜流、回流、死水等现象。观测方法采用传统转子流速仪法和走航式ADCP全断面流量观测2种方法同步开展，其中ADCP采用SonTek公司生产的M9声学多普勒水流剖面仪。 3.1 作业方法比较。 从理论上讲，ADCP流量测量原理与传统的转子式流速仪法相同，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。但是它们之间存在着很大的差别： （1）传统的转子式流速仪法是静态的，ADCP是动态的，可在随测船运动的过程中进行测量。转子式流速仪法要求测流断面垂直于河岸，ADCP法在走航测量中，测船的航迹可以是斜线或曲线，极大地方便了施测作业。 （2）传统的转子式流速仪法采样费时，通常不会将子断面划分得很细，垂线流速的测量点不多。因断面江宽只有约240m，故测流垂线只布设了4条。而ADCP由于采样速率很高，只需5-8min即可在此断面完成1次流量观测，将子断面划分得很细（可称为微断面），垂线流速测量点较多，相当于多台流速仪同时测量。 （3）传统的转子式流速仪受仪器本身的测速范围（0.05-4.50m/s）影响，当流速过快或过慢时，影响其测量精度，尤其是慢流速时，流速仪还会受到水文绞车绳索的影响，而ADCP的测速范围为0.01-10.00m/s，范围较宽，且在流速较慢、水深较浅时还可使用浅水模式施测，更好地提高了测流精度。 3.2 测量结果对比。 传统流速仪与ADCP同步测量，收集48个平均断面流量比测样本，对缆道实测的平均断面流量与ADCP实测的平均断面流量进行比较，比较结果表示检测结果均通过，详情见表1。 4. ADCP使用经验 4.1 水流含沙量高。 由于走航式ADCP是声学设备，因此水流中的含沙量对于走航式ADCP的使用影响很大。当水流中的含沙量很高时，就不适合使用高频率的走航式ADCP，在这种情况下，使用低频率的ADCP比较合适。但是即使使用了低频率的ADCP，测量时仍然有限制，即测量的河流深度不能过浅。如果河流深度较浅，则可以使用窄带ADCP。如果河流的含沙量高，同时深度又过浅，导致无法使用ADCP，可以使用差分GPS和测深仪分别测量船速和水深。 4.2 河底存在推移质运动。 河底的推移质运动是影响走航式ADCP测量的另一因素。主要影响的是测量结果的准确度。因为形成推移质的河段，都是水速过快，河流底部的泥沙随水迁移而形成的。为了减少河底推移质运动的影响，可以使用GPS测量船速。 4.3 深度单元尺寸影响测量精度。 由于流速测量时，深度单元尺寸会对垂向分辨率、测量范围、测量精度、剖面深度等参数均造成影响，因此要根据不同的应用场景选择不同的深度单元尺寸。一般来说，单元尺寸越小，流速测量精度就越低。如果水深较大，就采用较大的深度单元尺寸，如果水深较小，就采用较小的单元尺寸。 5. 结语 ADCP技术相较传统流速仪观测有巨大优势，满足现阶段的高精度，高效率的要求，在多条断面同步观测方面表现尤为明显，近年来在水文观测中得到了越来越多的应用，节约人力、物力、财力、取得了良好的经济和社会效益。 参考文献 [1] 杜亚文. ADCP数据处理及软件优化设计[D].东南大学，2017. [2] 王若晗，李继清.走航式多普勒流速剖面仪在水文测验中的应用[J].水资源开发与管理，2017（04）：51-54. [3] 刘彦祥.ADCP技术发展及其应用综述[J].海洋测绘，2016，36（02）：45-49. [文章编号]1619-2737（2018）04-08-708 |
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