水平式adcp在水文应用中的技术探讨

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1、水平式ADCP在水文应用中的技术探讨潘仁红(广西水文水资源局,广西南宁530023)摘要:水平式声学多普勒流速剖面仪(H-ADCP)在应用过程中必须要解决一些特定的技术问题。着重对H-ADCP在水文应用过程中的基本技术问题,如:仪器的安装,流速关系的率定,水位过程Z～t的确定和应用,相应断面面积的确定等,做了一些分析,并提出了几个关键性问题的探讨。通过分析探讨,认为ADCP的引进和应用,是整个水利系统现代化建设进程的发展趋势之一。关键词:H-ADCP;应用;技术;探讨中图分类号:TP39;TV87

2、7文献标识码:A文章编号:1672-3279(2005)04-0045-030前言ADCP是当前在我国逐渐兴起的一种新型测流仪器,具有操作方便、快速高效、稳定可靠等优点ADCP按测流方式可以分为走航式和水平式两种类型,其中走航式ADCP直接测出流量,而水平式ADCP(H-ADCP)则是通过测量代表流层的流速,进而推算得到断面流量。比较这两种类型仪器,H-ADCP更为简便,易于操作,而且可以在线实时监测河流断面的流速流量过程。1H-ADCP的应用1.1仪器的安装在H-ADCP使用的过程中,需要注意的

3、技术环节很多,其中仪器的安装最为关键。H-ADCP的安装位置一旦确定下来,将尽量保持不变,也就是固定地对同一个流层(或垂线)进行监测,以保证其流量系列具有较好的一致性。H-ADCP分为侧视式和仰视式两种,仰视式ADCP一般安装于河床底部(通常位于代表性好的垂线上),在天然河道中应用得很少,在此着重讨论的是侧视式测流仪。对于宽度较小的河流或渠道仪器主机安装在河岸或渠壁的基座上;对于宽河流或渠道,主机可以安装在河岸或渠壁上,也可以安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。安装高度方面,要根据具体情况而定,基本原则

4、是:(1)使其大致位于历年平均水深的60%处;(2)且处于历史最枯水位或需测水位以下一定的距离;(3)同时还要高于河底的淤积层,避免主机遭受掩埋。此外,在安装过程中应注意使两个声学传感器位于同一水平面上,同时要注意主机底面必须垂直,以保证声束为水平发射。实际上,天然河道断面的实际情况非常复杂H-ADCP的初始安装位置并不容易确定,事先往往要进行大量的调查和分析。需要由水文监测站点提供一系列必需的基础资料,以提出真正适合测流断面的观测方案。这些基础资料主要有:(1)仪器安装断面的大断面图;(2)该站

5、的历史最高水位和最低水位;(3)该站的最大流速和最大流量;(4)该站是潮汛河道,还是山溪性河流;(5)河道的通航,尤其是仪器安装所在岸边的通航情况;等等。1.2流速关系v断面=f(v流层)的率定在满足仪器安装原则的情况下,还应进行代表流层的比测分析工作,涉及到v流层和v断面两个重要流速的关系率定问题。通常,v断面的测定需要应用断面流量测验仪器(转子式流速仪或走航式ADC等)来进行。在比测的具体操作上,要求H-ADCP与断面流量测验仪器同时测量,流层流速v流层由H-ADCP直接测出,而断面平均流速v

6、断面则由转子式流速仪或走航式ADCP的测定流量Q测及相应过水断面面积A,依据式(3)求出:v断面=Q测/A(3)依照上述方法,分别测出不同水位级的v流层、v断面点据系列,用于分析率定其关系方程。v流层～v断面关系方程通常采用如下三种形式表达:v断面=av流层+bZ+c(4)或v断面=a·ln(v流层)+b(5)或v断面=av流层+b(6)式中:v断面—断面平均流速,v流层—流层流速,Z—水位,a、b、c—待定系数。以上三个公式的确定,主要是根据v流层、v断面系列,通过回归分析计算,率定出经验回归系

7、数a、b或a、b、c。这三种公式在实践中都会运用得到,建议每种形式都进行尝试,从中选取最佳的拟合方程。1.3水位过程Z～t的确定和应用在流速关系方程确定下来后,就可以通过监测流层流速,实现对断面平均流速的变化过程测定。但这与流量过程Q～t的求取尚有一段的距离,因为还需要确定与之相对应断面面积及其变化,才能通过式(2)来推算出流量值及其逐时变化过程。断面面积A,通常是通过水位的监测来实现。在此,着重探讨水位观测成果与水平式ADCP的流速监测成果如何衔接的问题,也就是如何实现水位、流速电算一体化的问题

8、。生产厂家已充分考虑过这个问题,他们推出了一系列带水位探头的仪器,可以在测定流速的同时,实施水位观测,于是直接达到了水位、流速一体化的目的。但从技术角度上看,ADCP水位观测与水文站本身的水位测量系统有重复建设之嫌,而且得到的两个水位系列时常会发生矛盾(比如在水中有悬浮物时,H-ADCP的水位观测精度会受到影响等),这时候就需要工作人员特别注意对这些数据进行比较分析,并及时修订其中不合理的部分。一些早期仪器产品并未带水位探头,只能根据水文站本身的水位观测值系列进行摘取或内插。在完成