ADCP作为流量测验基本手段的思考
ADCP外接设备对流量测验精度影响的研讨
作 者 简 介 ： 守 荣 ， ， 江 水利 委 员会 水文 局技 术 管理 处 ， 陈 男 长 处长 ， 高级 工 程 师 ， 主要 从 事 水 文 测验 技 术 管 理
３ ０
人 民 长 江
Ｇ Ｓ检 测 两 种 方 法 加 以判 断 。 Ｐ
声学 多普勒流 速仪流 量测验 的高效性 。
应 外接 回声测深仪测 深。
２ “ 底” 动 判断 与 外接 设 备 对测 验 精 度 的影 响
测验 断面“ 动底 ” 的存在 ， 将直 接影 响走 航式 声学 多普 勒 流 速 仪 的 流 量 测 验 精 度 。下 面 介 绍 判 断 “ 动
底 ” 方法 。 的
式声学 多普 勒ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量测 验是将声学 多普勒流速 仪安装 在
陈 守 荣 香 天 元 ， 建 平 ， 蒋
（ ． 江 水 利 委 员会 水 文 岛 ， １长 湖北 武 汉 ４ ０ １ ； ２ 长 江 水 利 委 员会 长 江 下 游水 文 水 资 源勘 测 局 ， 苏 南京 ２ ０ １ ） ３ ０ ０ ． 江 １ ０ １
摘要 ： 走航 式 声 学 多普勒 流 速 仪 （ Ｄ Ｐ 在 我 国 引进 并 应 用 多年 ， 应 用 技 术 得 到 了不 断 完 善 、 熟 ， 使 了 Ａ Ｃ ） 其 成 促 河 流流 量 测验 技 术的 进 步 、长江 委 水 文局 在 长 江 干 流应 用走航 式 声 学 多普 勒 流速 仪 进 行 流 量测 验 时 ， 现该 发 仪 器 除 自身理论 与结 构 误 差 外 ， 受仪 器安 装 、 底 走 沙等 因素 的 影 响 ， 别是 铁 质 测船 对流 量 测验 精 度 影 响 还 河 特
断 面 河 床 、 流 、 沙 特 性 和 测 船 ， 备 必 要 的 外 接 设 水 泥 准 备 。外 接 设 备 包 括 外 部 罗 经 、 声 测 深 仪 、 Ｐ 回 Ｇ Ｓ等 。 ”
浅谈走航式ADCP在水文测流中的应用
浅谈走航式ADCP在水文测流中的应用摘要: 走航式ADCP是目前较为先进水流流速、流量实时测量设备，近年来，在水文测流中走航式ADCP的应用逐渐广泛起来。
本文介绍了ADCP测流的基本原理，并结合走航式ADCP的应用实例，对走航式ADCP与传统流速仪法进行了比较，结果表明了走航式ADCP在水文测流中是可行、可靠的，值得在水文测流中推广应用。
关键词: 走航式ADCP；基本原理；水文测流；作业方法；结果对比ADCP(声学多普勒流速剖面仪)是目前世界上最为先进的水流流速、流量实时测量设备，与传统流速仪不同，ADCP是一种遥测仪器。
它利用多普勒效应原理，进行高分辨率的瞬时流速测量，并测量水流深度或水流宽度，能直接计算出河道的断面流量。
ADCP通常包括：换能器(四波束探头)、操作软件系统、计算机及连接设备等3个主要部分。
1 问题的提出水文测流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，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 ADCP测流基本原理ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)，即声学多普勒流速剖面仪，其原理是依据声学多普勒效应。
ADCP一般配有4个换能器，与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器，假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，聆听到的回波频率比发射波的频率低，这种现象即声学多普勒频移。
ADCP通过“水跟踪”测得水流相对于ADCP安装平台的速度，也就是由水中颗粒的回波测量得到。
移动平台的速度通过“底跟踪”测得，即接收和处理由河底的回波信号跟踪河底的运动得到，或由GPS算出。
ADCP应用于水文流量测验中的方法探寻
Hydraulic Technology366 ADCP 应用于水文流量测验中的方法探寻王承飞（安徽省驷马山引江工程管理处，安徽 和县 238251）摘要：在开展水文测量测验工作时，ADCP 技术的科学应用具有较高的应用价值，相关人员需要对其进行深入分析，确保能够更为高效的应用ADCP 技术。
本文基于ADCP 的理论分析，分别从测验目的，ADCP 技术应用和测量流量计算三个角度综合探究ADCP 技术的具体应用。
关键词：ADCP；水文测量测验；应用方法在进行水文流量测验时，科学应用ADCP 能够有效提升测验效果，确保能够更为高效的开展各项工作，进而保障测验结果具有更高的准确性，为我国现代水文工程建设的发展创造良好的条件，为了进一步明确在水文测量测验过程中如何更为高效的应用ADCP，特此进行本次研究工作。
1 ADCP 流量测验 1.1 ADCP 的测流原理 ADCP 是现代科技发展过程中形成的新型流量监测设备，具体包括四个换能器。
一般情况下ADCP 的换能器和轴线会直接形成夹角，同时每个换能器可以对信号进行有效的发射和接收，在一定范围内集中发射声波。
换能器发出固定声波频率，同时接收反射的声波信息。
换能器发射出声脉冲波，水体中所含的那些不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等作为反散射体，反散射声波冲脉给换能器，通过多普勒频移的测定，来测算出测线范围内若干点的流速，然后运用专业的算法来得出测线平均流速。
如果颗粒运行具有与水流速相同的速度值，则当颗粒物靠近时，换能器接收到的声波频率远远高出发出频率，如果换能器和颗粒物之间具有较远的距离，则接收到的回声频率会低于发出频率。
需要注意的是，必须通过现场率定来得到率定测线平均流速与断面平均流速的相关系数，断面面积和流量计算时必须以现场断面测量得到的水位和断面面积关系来计算。
具体工作原理如下图1。
图1 ADCP 原理流程1.2 ADCP 的优势和传统流速仪相比较而言，ADCP 可以进行动态跟踪监测，能够跟随船舶运行进行测量[1]。
浅析adcp在小湾水文站的测流盲区问题
浅析ADCP在小湾水文站的测流盲区问题浅析ADCP在小湾水文站的测流盲区问题摘要：本文主要介绍了ADCP测流盲区问题的成因和计算方法，并结合ADCP在小湾水文站的测流实例，对ADCP在实际流量测验过程中盲区问题的计算进行浅析。
关键词：ADCP、小湾水文站、测流盲区中图分类号：P336文献标识码： A 文章编号：1引言ADCP，是一种利用声学多普勒原理进行流量测验的一种仪器。
用ADCP进行河流流量测量是近十年才发展和应用的新的流量测量方法。
流量测验是水文工作的主要任务之一，传统的流量测验手段(如常用的旋桨式流速仪法)由于其历时长、自动化程度低，越来越不能满足水文事业和经济社会发展的需要。
对回水河段以及日益增多的受人类活动影响的水文测站进行流量测验，使用传统的测验手段是难以实现的。
ADCP 利用声学多普勒原理进行流速、流量测验，具有历时短、采集数据量大、不扰动流场等诸多优点，可以极大程度地减小劳动强度、增大工作效率、提高现代化水平，成为流量测验发展的一种新手段。
但是，ADCP也存在着一些弊端，例如测流盲区，使ADCP受限于一些特殊的测量断面，本文将结合实例，浅析ADCP在实际测量中的盲区问题。
2 ADCP的测流原理、盲区的概念及计算公式2.1 ADCP的测流原理ADCP流量测量原理与传统的人工船测，桥测，缆道测量和涉水测量的基本原理是一样的，都是在测流断面上布设多条垂线。
在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速。
只是ADCP 所测的垂线可以很多，每条垂线上的测点也很多。
ADCP是通过接收和处理河底反射的信号来确定船体的绝对速度和实测断面处的平均水深，并通过接收和处理断面水体中的颗粒物反射回来的信号来确定水流相对于ADCP的速度，从而得出水流的绝对速度。
ADCP盲区的概念及计算公式2.2.1 盲区的概念及分布情况盲区是指ADCP无法测到数据的区域，也可称为非实测区。
一个测流断面的盲区分为四个部分：顶部盲区、底部盲区和左右岸的两个边部盲区。
ADCP流速及流量测量原理
ADCP流速及流量测量原理ADC流速及流量测量原理是指使用ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）测量水流速和流量的原理。
ADCP是一种利用声学多普勒效应测定液体中微小颗粒速度的设备，可以通过声波对液体中流动物体的速度进行测量，进而计算水流速和流量。
ADCP的测量原理包括声波的发射和接收、多普勒效应的应用以及数据处理三个方面。
首先，在ADCP中，通过一个或多个发射器向水体中发射一束或多束高频声波，一般在100kHz至1MHz之间。
这些声波在水体中传播并与水体中的颗粒相互作用。
由于声速在液体中有一定值，当声波遇到运动的颗粒时，声波的频率将发生变化。
根据多普勒效应，颗粒运动方向和音源接收器之间的相对速度将导致声波的频率偏移。
经过接收器接收的声波频率相对于发射时的频率偏移量与颗粒速度成正比。
其次，ADCP利用多普勒效应来测量颗粒的速度。
接收到的声波频率偏移量与颗粒速度成正比，通过测量频移量的大小可以得出颗粒的速度。
多个接收器可以同时测量不同方向的速度分量。
这种多普勒效应测量的速度被称为径向速度，即相对于发射器和接收器之间连线的径向速度。
最后，通过对径向速度的测量数据进行处理，可以得到水流速和流量的信息。
针对横截面或纵向的速度分布，可以进行不同的数据处理方法，如简单平均或高斯拟合。
通过分析速度分布在水体断面上的变化，可以计算出水体的平均流速和流量。
此外，还可以根据声波的传播时间和相互作用，对水体的深度进行测量。
总之，ADCP利用声波与水体中微小颗粒相互作用，通过多普勒效应测量颗粒的速度，进而计算水流速和流量。
其原理包括声波发射和接收、多普勒效应的应用以及数据处理。
该技术在水文学和海洋学研究中得到广泛应用，可以用于测量河流、海洋和湖泊等水体的流速和流量，对水资源管理和环境保护具有重要意义。
走航式ADCP在水文流量测验中的应用分析
走航式ADCP在水文流量测验中的应用分析走航式 ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）是一种使用声学原理来测量水流速的仪器，广泛应用于水文流量测验中。
其工作原理是通过发射声波并接收其回波来计算水流的速度和方向。
以下是关于走航式ADCP 在水文流量测验中的应用分析。
首先，走航式ADCP可以提供全面的水文流量信息。
其通过测量不同水深处的流速而提供流速剖面和流速向量。
传统的测量方法通常需要将流速测点限制在几个确定的位置上，而走航式ADCP可以提供河道或水体横截面上的大量测点，用于生成流速剖面和流速场。
这样可以更全面地了解水流的变化情况，帮助分析水文流量的分布规律。
其次，走航式ADCP具有高精度和高效率的优势。
与传统的测量方法相比，走航式ADCP不需要设置固定的测点和测量设备，只需在船只上安装ADCP仪器，然后进行航行即可获取大量的数据。
这种无需人工干预的自动化测量方式大大提高了水文流量测验的效率，并且减少了人为误差。
同时，走航式ADCP的测量结果具有较高的精度，可以满足水文流量测验的要求。
此外，走航式ADCP还可以应用于大范围的水文流量测验。
由于其快速、准确的特点，走航式ADCP可以应用于各种不同尺度的水体中，包括河流、湖泊、海洋等。
这种灵活性使得走航式ADCP能够适应各种不同环境条件下的水文流量测验需求，无论是在水电站的出水口测量，还是在长江这样的大型河流中进行测量，都能够获得令人满意的结果。
此外，走航式ADCP还具有实时监测的能力。
由于其航行测量的方式，走航式ADCP可以实时获取水文流量信息，并将数据传输到处理平台。
这意味着在进行测验的同时，可以进行实时的数据观测和处理，以便及时纠正或优化测量计划。
这种实时监测的能力对于进行水文流量实验的工程项目来说尤为重要，可以及时调整措施，以保证测验的准确性和有效性。
最后，走航式ADCP还可以结合其他测量方法来进行综合分析。
浅析ADCP测流方法
民营科技2018年第10期科技创新浅析A D C P 测流方法彭飞邹冬梅(湖南省岳阳水文水资源勘测局,湖南岳阳414300)随着科学技术的不断发展和进步,对水文监测技术的研发和应用要求也越来越高。
A D CP 英文全称A cous t i c D oppl er Cur r ent Pr of i l er ,简称声学多普勒水流剖面仪,是目前较为先进的测流仪器,可以高效解决水文测验方面的难题,利用声学多普勒原理,实现测船行进过程中的连续测量,并对所得资料进行分析,从而得出真实有效的实测流量,达到提高测验精度和测验效率的目的。
1A D C P 的基本原理、使用中的问题以及解决方法1.1A D CP 的基本原理。
A D CP 测流系统一般由A D CP 、数据接收及处理终端、外接G PS 和外接测深仪等设备组成。
声学多普勒流速仪是通过测量水中悬浮颗粒的运动速度从而测量到水流运动的速度。
这是建立在水中悬浮颗粒的运动代表了水流本身运动的假设基础上的。
A D CP 主机上配备有四个换能器,每个换能器在测船行进中一边发射信号一边接收信号,测量时换能器向水体发射定频脉冲,脉冲碰到水中悬浮物质后产生回波信号并由换能器接收,当换能器接收到回波信号时,检测出回波信号的频率与发射的频率产生的频差,称作多普勒频移。
由此计算出水流相对速度。
根据多普勒频移方程:f d =2f(v/c )式中:f d ———声学多普勒频移;f ———发射波频移;v ———沿声束方向流速;c ———声波在水中的传播速度。
水道断面流量计算公式为Q =A V ,由式中可以看出,要计算水道断面流量需要同时得到水流相对速度和断面面积。
而A D CP 具有“底跟踪”功能,A D CP 按照系统设定的时间间隔向河底发射脉冲信号,通过接收来自河底的反散射信号,由此计算出子断面的水深,数据处理系统根据测出的数据计算出水道断面的流量。
1.2A D CP 应用中的问题。
浅谈ADCP流量测验中的技术处理
先 引进走 航 式声 学 多普 勒流 速仪 ， 开 展 了感 潮 河 段 流 量 深 仪 测 量 水 深 。如 果 流 量 测 量 时 外 接 ＧＰ Ｓ 、 外 部罗 经 、 测
测 验 ， 目前 国 内 已 引 进 了 大 量 的 声 学 多 普 勒 流 速 仪 ， 并 深 仪等设 备 时 ， 则 外 接设 备 的刷新 频率 或 采样 频率 宜大 陆 续 用 于 复 杂 流 态 下 的 流 量 测 验 或 工 程 设 计 、建 设 、 运 于 声 学 多 普 勒 流 速 仪 流 量 测 验 的 采 样 频 率 ， 否则 容 易形
素 有很 多 ， 其 中较为 突 出 的主要 有 ： 铁磁 影 响 、 底 沙 运 动 有 在 余 震 衰 减 掉 后 压 电 陶 瓷 片 才 能 正 常 接 收 回 波 信 号 ， 和 水 深误 差 、 盲 区流 速 插补 、 水 位误 差 、 船 速 的影 响 、 施 余 震衰 减需 要一 点 时间 ， 这个 时 间乘 以声 速 即为流 速仪 测 方法 等 。 这 些 技 术 问题 也 是 走 航 式 流 量 测 验 误 差 的 主 的 盲 区 （ 称 为上 、 下盲 区 ： 水 面部分 和 近水底 部 分 ） ； 而对 要来 源 ， 在 流 量 测 量 中会 常 常 遇 到 ， 急需 用 科学 、 合 理 的 于 无 法 施 测 的 左 、 右岸 边流 量称 为左 、 右盲 区 。 在 实 际 测 方法 解决 和 处理 。 下面 ， 我就 结合 我单 位 几年 来 （ 笔 者所 量 中 ， 对 于上 、 下 盲 区流量 ， 我 们一 般采 用 合适 的流 速分 在单 位 在 ２ ０ ０ ７年 引 进 走 航 式 ＡＤＣ Ｐ进 行 水 文 测 验 ） ， 在 布 曲线 来 推 算 ，并 通 过 旋 浆 式 流 速 仪 施 测 进 行 比对 ， 用
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收稿日期:2005-09-10作者简介:周凤珍,男,长江水利委员会水文局技术处副处长,高级工程师。
文章编号:1001-4179(2005)12-0035-03ADCP 作为流量测验基本手段的思考周凤珍 赵 昕(长江水利委员会水文局,湖北武汉430010)摘要:我国自20世纪90年代初引进第一部ADCP 以来,ADCP 在国内已经大量使用,在带来流量测验方式革命的同时也引发了一些问题,致使其仍无法作为流量测验的基本手段加以应用。
就ADCP 流量测验本身存在的问题、ADCP 流量测验与其他水文项目传统测验方式的结合、ADCP 与传统流量测验方式的矛盾与衔接等方面进行探讨,为ADCP 作为流量测验基本手段寻找一个可行的解决方案。
关 键 词:ADCP ;流量测验;基本手段;应用研究中图分类号:P332.4 文献标识码:A1 概述我国自20世纪90年代初引进第一部ADCP 以来,ADCP 作为一种新的流量测验手段已经得到了较大范围的应用。
引进之初遇到的ADCP 应用中的一系列问题—如河床走沙、高含沙量、铁质船体对磁场的影响等—通过大量的比测试验和分析研究,用户已经取得了符合各自实际情况的比较全面的使用经验和解决方案,ADCP 的测验精度也得到了广泛的认可,使其不再成为制约ADCP 应用的障碍。
然而,目前ADCP 的应用范围大多仍然局限在工程测量等方面,未能作为水文工作的基本测验手段。
ADCP 流量测验与其他水文测验项目的结合、ADCP 测验与现行技术文件的相互适应、ADCP 测验资料与传统流量测验方式测验资料的彼此衔接等方面的矛盾,是造成这种现象的主要原因,也是当前关于ADCP 问题争论的焦点。
2 ADCP 应用中的问题2.1 ADCP 测验的必要性流量测验是水文工作的主要任务之一,传统的流量测验手段(如经典的旋浆式流速仪法)由于其历时长、自动化程度低等固有的缺点,越来越不能满足经济社会和水文事业发展的需要;感潮河段以及日益增多的受人类活动影响的水文测站进行流量测验,使用传统的测验手段更是难以实现。
ADCP 利用声学多普勒原理进行流速、流量测验,具有不扰动流场、历时短、采集数据量大等诸多优点,可以极大程度地减小劳动强度、增加工作效率、提高现代化水平,成为流量测验方式发展的趋势。
2.2 ADCP 应用中的问题归纳起来,目前ADCP 应用中的问题按照其测验的流程来划分有以下4类:硬件问题、测验问题、数据处理问题和与传统资料的衔接问题。
硬件问题在各种技术报告中已有大量论述,本文只简要概括,另3个方面的问题将在下一章中进行详细探讨。
2.2.1 硬件问题(1)河床走沙。
当水流速度较大的时候,河床表面的泥沙会随着水流运动形成推移质,由于ADCP 假定河床底部固定不运动,致使其误将河床泥沙的运动速度当作水流速度的一部分而产生错误。
对于该问题,可外接差分G PS ,以其测定测船运动速度,从而获取准确的水体流速。
(2)高含沙量。
由于ADCP 根据回波强度沿深度变化在河底突起的峰值来识别河底,故当水体含沙量较大的时候,ADCP 无法正确识别河底和水深。
对于该问题,可外接回声测深仪器加以解决。
(3)磁场影响。
我国水文测验在很多情况下是通过铁质测船进行的,铁船可能导致ADCP 内部的磁罗经发生偏差。
对于该问题,可以采用非铁质测船或外接罗经加以解决。
2.2.2 测验问题当硬件问题在外接相应仪器设备得到解决后,就可以比较可靠地使用ADCP 进行流量测验了。
测验当中一些参数和计算方法的选用将直接影响到测验结果的准确性,成为测验问题。
影响比较突出的有:概化垂线流速分布计算方法的选择、岸边系数的确定,当然还包括一些基本的ADCP 测验参数(如深度单元的尺寸和数目、脉冲间隔时间等)的设置。
2.2.3 数据处理问题ADCP 的研究开发主要在国外,其关心的问题只是流量和流速。
然而我国的实际情况要求除了获取这些一般性的数据外,还需要取得一些符合水文业务传统的特征数据,如最大流速、最大水深等,并要求ADCP 测验与其他水文测验项目如悬移质输沙率测验相结合。
目前ADCP 的使用仍没有很好地解决这些问题。
第36卷第12期人 民 长 江V ol.36,N o.122005年12月Y angtze River Dec., 20052.2.4 与传统资料的衔接问题ADCP测验面临的最后一个问题是应该如何与传统资料结合。
当采取ADCP作为流量测验基本手段后,其资料与传统流速仪资料两个系列的关系如何、怎样衔接是保证水文资料使用价值需要探讨的问题。
3 ADCP作为流量测验基本手段的问题探讨在制约ADCP发展的障碍当中,其本身的技术问题已经得到了比较好的解决,精度和可靠性得到了广泛的认同,且随着科技的发展和认识的深入,这方面的问题将逐渐隐退。
目前来说,阻碍其成为流量测验基本手段的原因归根结底是由于ADCP与传统流量测验方法完全不同的原理和方式所带来的包括测验、资料整理等多个方面的矛盾和冲突。
要解决这两者之间的矛盾,除了对现行的技术标准进行修订使其有利于ADCP测验技术的发展外,更重要的是进一步探究两者之间差异的本质,进而寻求更好的解决办法。
3.1 ADCP与传统流量测验方式的差别旋浆式流速仪是一种非常经典的流速、流量测验仪器,其测验原理已得到了广泛的认可,因而普遍应用到水文工作当中,并作为流量测验的最基本手段。
本文选取该种流速仪与ADCP进行比较。
(1)流速测量原理。
旋浆式流速仪利用动能转换的原理进行测量,流动的水体与流速仪接触带动仪器运动,通过率定流速仪转速与水体流速的关系达到测量水体流速的目的。
旋浆式流速仪测验的特点是:仪器必须置于水体某一位置进行预定点测量;由于水流脉动,仪器必须通过较长历时的测量(如常用的100、60s等)消除脉动影响。
ADCP利用多普勒原理进行测量,随水体运动的物质反射仪器发射的声波,ADCP接收该声波并根据多普勒频移计算不同位置的水体流速。
ADCP测量的特点是:仪器可以在运动状态下同时测量多个不同位置的流速;由于其能够在短时间内收集大量数据,对于水体的脉动,可以通过大量数据的平均加以解决从而获取真实的流速。
(2)流量计算方法。
旋浆式流速仪和ADCP的流量计算方法是相同的,都是通过将整个断面划分为若干个子断面,根据测量出的流速分别计算每个子断面的流量,最后累积得到断面总流量。
所不同的是,ADCP划分的子断面的数量远比旋浆式流速仪的多,在每个子断面中,ADCP能够划分很多的水流层,通过累加不同水流层的流量得到子断面的流量。
而旋浆式流速仪却是相对准确地测量少数几个固定相对水深的流速计算垂线平均流速后再计算整个子断面的流量。
两者的根本区别在于:旋浆式流速仪在假设水流条件变化不大的前提下,通过大时间尺度上的数值平均消除水流脉动的影响,获得相对准确的有限数量的测点流速进而计算流量;而AC DP则以大量小空间尺度上的流速、流量的数值平均消除水流脉动的影响。
也就是说,消除水流脉动影响、获取真实流速流量的方法的不同是流速测量原理差异所决定的流量计算方法不同的关键所在,并影响到AC DP流量测验数据处理的问题以及其与传统流量测验方式的种种矛盾。
3.2 AC DP存在问题的解决途径要将ADCP作为流量测验基本手段,就无法回避一些与我国水文业务惯例相冲突的问题,其中一部分是水文工作本质所要求、具有重要实际意义而无法通过修订相关技术文件加以调和的。
(1)盲区插补模型。
长江水利委员会水文局大量的试验证明,在测验问题当中,盲区的流速插补是影响测验精度的重要因素之一。
ADCP测验时,由于仪器固有的特点,在水面、河底以及近岸边均存在盲区,如何确定垂线流速分布模型和岸边系数、通过实测数据来插补盲区的流速、流量是测量的重要工作。
长江委水文局比测试验发现垂线流速分布模型幂指数b的取值不同对于断面流速、流量的计算有很大影响,见图1。
尽管盲区插补非常重要,但是其可能引起测量误差的严重性往往被夸大。
图1 幂指数b变化与垂线流速分布相关关系示意我们认为,ADCP流量计算的原理与旋浆式流速仪的一样,由于ADCP的数据量大,其遇到的同样存在于传统流速仪法测验中的盲区插补的问题所引起的测验误差,必定不会比传统方式大。
旋浆式流速仪之所以能够通过极有限的测验位置(例如每线2点)的流速数据比较准确地计算出断面流量,是因为传统测验方式通过多年的试验研究找到了比较客观的断面和垂线流速分布规律,而这样的分布规律是不以测量仪器的不同而转移的。
也就是说,要解决盲区插补的问题,其过程与传统流速仪的研究过程一样,分析本断面的水流特性,摸清水流分布的客观规律即可,更多的测站可以利用已有的模型进行测验。
(2)特定位置流速计算。
尽管ADCP可以通过小空间尺度上数据量的巨大来消除脉动影响以获取稳定的真实的流速,但是由于其测量过程处于运动状态,每个特定位置的流速是瞬时的和不稳定的,这也就决定了我们不应从ADCP测量数据中单一地抽取某一特定位置的瞬时流速数值作为该位置的流速。
为获取特定位置的真实流速,必须根据ADCP消除脉动影响准确计算流量的原理—即通过大量瞬时数据的平均来进行。
长江委水文局通过比测试验得出了用于平均的数据组数与相对误差之间的关系,见图2。
可行的方法有两种。
①定点法。
即测量时ADCP载体固定于某一起点距,收集一定数量的数据组数,利用这些数据平均得到每个测点的流速后再根据垂线流速分布模型推算特定位置的流速。
这种方法获取的流速因为数据量大因而非常接近真实情况,但失之于需要定点测量,有悖于使用ADCP的初衷。
②走航法。
该方法按照走航方式测验程序进行,只是在需要取得特定位置流速数据的垂线处确定测速限制范围(以该垂线为原点,一定数值为半径的圆,假设此范围内的流速均能代表该垂线的流速),仪器通过此范围时速度放慢,从而获取相对多的数据组数,以消除脉动影响。
利用相同的方法推算流速。
试验证明此方法较方法①实用且精度能够令人满意,长江委水文局的比测试验发现,当信号组数达到30时,其平均流速可以达到精度要求。
63 人 民 长 江2005年无论何种方法,最终的数据必须是所要求的多个航次实测数据的再平均。
图2 ADCP 垂线平均流速比测误差(相对于旋浆式流速仪法)示意(3)最大流速选取。
很显然,由于ADCP 测量的是瞬时流速,在其原始数据中摘取的流速的最大值与水文测验业务习惯上所指的最大流速的物理意义不同,这就要求最大流速的选取要按照上部分所述流速平均的方法来处理。
最大流速选取遇到的另外一个问题是,应该从大量的ADCP 数据中选取哪些位置作为一次测验的最大流速,从而客观地反映测验特征并与传统方式的测验资料较好地结合。
考察传统测验方式最大流速选取我们发现,传统方式由于其测点数量的限制,其实测的最大流速并不完全反映实际最大流速情况,而ADCP 却可以做到,但是ADCP 最大流速的选取又涉及到与传统测验资料衔接的问题,本文将在下面论述。