adcp在水文流量测验中的应用研究

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1、ADCP在水文流量测验中的应用研究ok3/s(水平方向);速度分辨率:0.25cm/s;测深范围:8.0~130m。1.2流量计算ADCP基于如下的公式计算流量:QADCP=su?ξds(3)式中:QADCP——流量;S——河流某断面部分面积;u——河流断面某点处流速矢量;ξ——作业船航迹上的单位法线矢量;ds——河流断面上面积微元,由下式确定:ds=

2、Vb

3、?dz?dt(4)式中:dz——垂向长度微元,z自河底起算;dt——时间微元;Vb——船速矢量;

4、Vb

5、——作业船速度(沿航迹)。将沿

6、航迹的断面离散为m个微小断面,则公式(3)可以写为:QADCP=∫T0∫H0u?dz?ξ

7、Vb

8、?dt=∫Ta∫H0cu×Vb?k?dzdt=∑mi=1[(V×Vb)?k]?HiΔt(5)式中:T——航行时间(跨断面);Hi——在i测量微小断面处的水深;m——断面内总的微小断面数目;Δt——相应于测量微小断面的平均时间;k——垂向单位矢量;V——相应于测量微小断面的垂线平均流速矢量。V=1H∫H0u?dz(6)因存在上、下盲区,垂线平均流速的计算分为中层、表层和底层3部分。1.2.1中层流速中层平均流速由系统直接测出

9、,其值为第一个垂向单元至靠近河底单元(未受到河底干扰)所有单元所测流速之平均:VXM=1n∑ni=1Uxj(7)式中:Uxj——单元j中所测的x向流速分量;n——微断面中有效单元的数目。1.2.2表层流速由于ADCP换能器必须浸入水中一定深度,系统不能直接测出这部分水流速,形成表层盲区,一般采用指数流速分布公式来推求:UU?=9.5×ZZ0b(8)式中:U——高度Z处的流速;U?——河底剪切流速;Z0——河底粗糙高度;b——经验常数,通常取16。公式(8)整理后,令ax=9.5U?/Z

10、b0,则对x向量流速分量:Ux=axZb(9)设Z1为河底至靠近河底单元(未受河底干扰)的高度,Z2为河底至第一个单元的高度,垂向单元长度为Dc,则在中层进行积分可得到中层平均流速:1.2.3底层流速由于河底对声束的干扰,在河底存在一干扰区(底盲区),其流速数据不能使用。类似于表层流速的推导过程,底层平均流速的计算公式为:VXB=DCZ(b+1)1Z1(Zb+12-Zb+11∑nj=1Uxj则x方向分量垂线平均流速计算公式为:Vx=1H∫H0Uxdz=1H[∫Z1

11、0U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方向各分量与上述各式类似。1.3岸边流量估算由于作业船不可能紧靠岸边测验,ADCP不能测出近岸边的流速和流量。可以利用比例内插法来确定岸边流量。根据流量测验规范,岸边流量可由下式估算:QNB=aLHm2Vm(11)式中:α——岸边系数,一般取0.707;L——岸边至测量起点(或终点)微小断面的距离;Hm——起

12、点(或终点)微小断面处的水深;Vm——起点(或终点)微小断面内的垂线平均流速。显然,河流某断面流量等于ADCP流量QADCP与岸边估算流量QNB之和。2比测试验本次比测试验设在岗南水文站电厂洞出口下游300米处,ADCP设备按技术要求安装在三体船上,人工拉动测船运行。2.1主要参数ADCP比测主要参数设置深度单元厚度:20cm;深度单元个数:15~25;水体发射脉冲次数:5;底跟踪发射脉冲次数:4;水体含盐度:0.0ppt;水体测量模式:1。2.2流量比测ADCP测船分别以测流断面的左岸、右岸为起始标志、结束标志,测船尽可能沿着测流断面线匀

13、速横渡施测。ADCP测船以两个往返,来回测验4次为一个测程,取4次流量平均值与电厂流速计作比较。2.3水深比测因为断面比较平整光滑,基本无淤泥,所以将ADCP测得水深与断面水尺读数相比较。3资料整理分析3.1水深资料共收集105个样本进行统计计算,分析成果见表1。由表1可知,误差值是有规律的,均为负值,说明ADCP实测水深系统偏小。为了消除误差,我们将不同等级水深的绝对误差平均值作为改正参数,来修正流量测验中各条垂线水深,修正后比测成果见表2。3.2流量资料本次比测共收集了45个样本,并计算测量成果。从表3来看,ADCP实测流量与电厂流速计相比

14、,有较大误差,通过利用水深、流速改正参数对ADCP实