ADCP河流流量测量原理和方法

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1、20022002年4月修改稿ADCP河流流量测量原理和方法黄河宁美国亚迪仪器（RDI）公司1.0引言2.0ADCP简介3.0ADCP流量测量原理4.0岸边流量估算5.0ADCP流量测量基本要求6.0ADCP流量测量中的几个问题7.0参考文献附录AADCP名词解释附录BADCP分类附录CADCP流量测量精度分析附录D“骏马”系列“瑞江”牌河流ADCP简介1.0引言河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。传统的河流流量测量方法包括人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量等。其基本原理是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线处测量水

2、深并用流速仪测量一至几个点的流速从而得到垂线平均流速。进而得到断面面积和断面平均流速。流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。这种传统方法费工费时，效率低。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。ADCP，是英文AcousticDopplerCurrentProfiler的缩写。中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。ADCP流量测量方法的发明被认为是河流流量测量领域的一次革命。当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，ADCP即刻测出河流流量。它比传统的河流流量测量方法提高效率几十倍

3、。它标志着河流流量测量的现代化。本文简要介绍ADCP和ADCP河流流量测量原理和方法。2.0ADCP简介第一台商品ADCP诞生于七十年代中期。它是由声学多普勒计程仪演变出来的，因此是船载式ADCP。1982年，美国RDI公司开发出它的第一代ADCP：窄带ADCP；1991年，RDI公司开发出它的第二代ADCP：宽带ADCP（关于窄带和宽带ADCP的解释可参见附录2）；1995年，RDI公司开发出它的第三代ADCP：“骏马”系列ADCP。第一代和第二代ADCP尺寸和重量都很大。价格昂贵。第三代ADCP尺寸和重量都大大减小。

4、价格降低了一半左右。第三代ADCP的诞生，标志着ADCP技术已达到成熟和普及的阶段。至2001年底，大约有3500千多台RDI公司生产的ADCP应用于世界各地的海洋和河流。顾名思义，ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。与机械式或电磁式流1速仪不同，ADCP是一种遥测仪器。即ADCP流速测量点不在ADCP所处的位置。而且，ADCP可以测量距其一定范围内的许多点的流速。也就是说，一台ADCP可以替代许多台机械式或电磁式流速仪。为了测量三维流速，ADCP一般装备有四个（或三个）声换能器。换能器总是安装成与A

5、DCP轴线成一定倾角。每个换能器即是发射器又是接收器。换能器发射的声波尽可能集中于较窄的声束范围内。每一个换能器对应于一个声束。换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定水体中颗粒物与水体流速相同。当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率高。当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：VF=2F(1)dsC式中：Fd是声学多普勒频移；Fs是回波频率；V是颗粒物沿声束方向的移动速度（

6、即沿声束方向的水流速度）；C是声波在水中的传播速度。ADCP每个换能器轴线即为一个声束座标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束座标方向的速度。任意三个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束座标系。另外，ADCP自身定义有直角座标系：X-Y-Z。Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一声束座标的流速。然后经过座标转换为X-Y-Z座标系下的三维流速。然而X-Y-Z是局部座标系。利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据，X-Y-Z座标下的流速可转换为地球座标系下的三维流速。ADCP基本上有两种安装方式和应用，一种是安装

7、在固定平台上（如河底或海底），进行定点垂线（或水平）流速分层测量（在海洋水文中称为流速剖面测量）。例如RDI公司生产的“骏马”系列“哨兵”型ADCP的应用。另一种是安装在活动或移动平台上（如调查船上），进行走航流速剖面测量。例如RDI公司生产的“骏马”系列“瑞江”牌ADCP的应用。ADCP通过跟踪水体中颗粒物的运动（称为“水跟踪”）所测量的速度是水流相对于ADCP（也即ADCP安装平台）的速度。当ADCP安装在固定平台上，“水跟踪”测量的流速即为水流的绝对速度。当ADCP安装在船上（移动平台），“水跟踪”测量的相对速度中

8、扣除船速（平台的移动速度）后才得到水流的绝对速度。有两种方法可以测量船速。第一种方法称为“底跟踪”。“底跟踪”是指ADCP通过接收和处理由河底或海底的回波信号跟踪河底或海底的运动。如果河底或海底没有移动的悬移质，“底跟踪”所测量的速度即是船速。第二种方法是利用GPS测量船速。由航迹上任意两点的GPS座标值可以得到两点