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摘要：介绍ADCP基本原理及流量计算方法，通过ADCP与管道流量计同步测流进行对比，并与常规方法进行测深、测速比测试验，分析比测资料，进行参数修正，提高该仪器测验精度，以达到正式投入应用的目的。关键词：ADCP；流量测验；测深；测速；比测试验　　　　1ADCP基本原理及流量计算　　　　1．1基本原理　　ADCP实际上应是一个包括：（1）ADCP换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与

2、反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。　　按多普勒频移方程：　　Fd＝2FV／C（1）　　式中：Fd——多普勒频移；　　F——发射频率；　　C——超声波在水体中的传播速度，与温度、含盐度有关；　　V——水流的运动速度。　　从公式可知，发射频率F为已知，只要测定声速C和频移Fd，即可求出水流速度。　　DR0300型ADCP主要技术指数如下：　　工作频率：307．2kHz；　　换能器发射角：20

3、°；　　测速范围：±0．01～±10m／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=

4、Vb

5、•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—

6、—船速矢量；　　｜Vb｜——作业船速度（沿航迹）。　　将沿航迹的断面离散为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。　

9、　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，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

10、）　　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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

11、=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10U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