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          水文流量測驗

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          水文流量測驗

          摘要:介紹ADCP基本原理及流量計算方法,通過ADCP與管道流量計同步測流進行對比,并與常規方法進行測深、測速比測試驗,分析比測資料,進行參數修正,提高該儀器測驗精度,以達到正式投入應用的目的。

          關鍵詞:ADCP;流量測驗;測深;測速;比測試驗

          1ADCP基本原理及流量計算

          1.1基本原理

          ADCP實際上應是一個包括:(1)ADCP換能器(4個探頭);(2)操作軟件系統;(3)計算機及連接設備等3個主要部分組成。利用聲學原理,ADCP向水體發射一個(一對或一組)聲脈沖,這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運動的微粒后產生反射波,并記錄發射波與反射波之間的頻率改變,這個頻率改變即稱多普勒頻移,可據此計算出水流相對于ADCP的速度。同時,還向河底發射底跟蹤聲脈沖,測出ADCP安裝平臺(測船)的運動速度以及水深,然后將水流相對速度扣除船速得到水流的絕對速度。

          按多普勒頻移方程:

          Fd=2FV/C(1)

          式中:Fd——多普勒頻移;

          F——發射頻率;

          C——超聲波在水體中的傳播速度,與溫度、含鹽度有關;

          V——水流的運動速度。

          從公式可知,發射頻率F為已知,只要測定聲速C和頻移Fd,即可求出水流速度。

          DR0300型ADCP主要技術指數如下:

          工作頻率:307.2kHz;

          換能器發射角:20°;

          測速范圍:±0.01~±10m/s(水平方向);

          速度分辨率:0.25cm/s;

          測深范圍:8.0~130m。

          1.2流量計算

          ADCP基于如下的公式計算流量:

          QADCP=su•ξds(3)

          式中:QADCP——流量;

          S——河流某斷面部分面積;

          u——河流斷面某點處流速矢量;

          ξ——作業船航跡上的單位法線矢量;

          ds——河流斷面上面積微元,由下式確定:

          ds=|Vb|•dz•dt(4)

          式中:dz——垂向長度微元,z自河底起算;

          dt——時間微元;

          Vb——船速矢量;

          |Vb|——作業船速度(沿航跡)。

          將沿航跡的斷面離散為m個微小斷面,則公式(3)可以寫為:

          QADCP=∫T0∫H0u•dz•ξ|Vb|•dt=∫Ta∫H0cu×Vb•k•dzdt=∑mi=1[(V×Vb)•k]•HiΔt(5)

          式中:T——航行時間(跨斷面);

          Hi——在i測量微小斷面處的水深;

          m——斷面內總的微小斷面數目;

          Δt——相應于測量微小斷面的平均時間;

          k——垂向單位矢量;

          V——相應于測量微小斷面的垂線平均流速矢量。

          V=1H∫H0u•dz(6)

          因存在上、下盲區,垂線平均流速的計算分為中層、表層和底層3部分。

          1.2.1中層流速

          中層平均流速由系統直接測出,其值為第一個垂向單元至靠近河底單元(未受到河底干擾)所有單元所測流速之平均:

          VXM=1n∑ni=1Uxj(7)

          式中:Uxj——單元j中所測的x向流速分量;

          n——微斷面中有效單元的數目。

          1.2.2表層流速

          由于ADCP換能器必須浸入水中一定深度,系統不能直接測出這部分水流速,形成表層盲區,一般采用指數流速分布公式來推求:

          UU•=9.5×ZZ0b(8)

          式中:U——高度Z處的流速;

          U•——河底剪切流速;

          Z0——河底粗糙高度;

          b——經驗常數,通常取16。

          公式(8)整理后,令ax=9.5U•/Zb0,則對x向量流速分量:

          Ux=axZb(9)

          設Z1為河底至靠近河底單元(未受河底干擾)的高度,Z2為河底至第一個單元的高度,垂向單元長度為Dc,則在中層進行積分可得到中層平均流速:

          1.2.3底層流速

          由于河底對聲束的干擾,在河底存在一干擾區(底盲區),其流速數據不能使用。類似于表層流速的推導過程,底層平均流速的計算公式為:

          VXB=DCZ(b+1)1Z1(Zb+12-Zb+11∑nj=1Uxj

          則x方向分量垂線平均流速計算公式為:

          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1)∑nj=1Uxj

          同理,y方向各分量與上述各式類似。

          1.3岸邊流量估算

          由于作業船不可能緊靠岸邊測驗,ADCP不能測出近岸邊的流速和流量。可以利用比例內插法來確定岸邊流量。根據流量測驗規范,岸邊流量可由下式估算:

          QNB=aLHm2Vm(11)

          式中:α——岸邊系數,一般取0.707;

          L——岸邊至測量起點(或終點)微小斷面的距離;

          Hm——起點(或終點)微小斷面處的水深;

          Vm——起點(或終點)微小斷面內的垂線平均流速。

          顯然,河流某斷面流量等于ADCP流量QADCP與岸邊估算流量QNB之和。

          2比測試驗

          本次比測試驗設在崗南水文站電廠洞出口下游300米處,ADCP設備按技術要求安裝在三體船上,人工拉動測船運行。

          2.1主要參數

          ADCP比測主要參數設置深度單元厚度:20cm;深度單元個數:15~25;水體發射脈沖次數:5;底跟蹤發射脈沖次數:4;水體含鹽度:0.0ppt;水體測量模式:wm1。

          2.2流量比測

          ADCP測船分別以測流斷面的左岸、右岸為起始標志、結束標志,測船盡可能沿著測流斷面線勻速橫渡施測。ADCP測船以兩個往返,來回測驗4次為一個測程,取4次流量平均值與電廠流速計作比較。

          2.3水深比測

          因為斷面比較平整光滑,基本無淤泥,所以將ADCP測得水深與斷面水尺讀數相比較。

          3資料整理分析

          3.1水深資料

          共收集105個樣本進行統計計算,分析成果見表1。由表1可知,誤差值是有規律的,均為負值,說明ADCP實測水深系統偏小。為了消除誤差,我們將不同等級水深的絕對誤差平均值作為改正參數,來修正流量測驗中各條垂線水深,修正后比測成果見表2。

          3.2流量資料

          本次比測共收集了45個樣本,并計算測量成果。從表3來看,ADCP實測流量與電廠流速計相比,有較大誤差,通過利用水深、流速改正參數對ADCP實測資料進行后處理,流量比測精度有大幅度提高,無系統偏差,相對誤差≤±10%累積頻率達95%以上。

          4結語

          通過ADCP與常規方法進行水深、流速、流量等一系列比測試驗,率定有關系數,修正流量值,滿足了精度要求。目前,ADCP測流儀已正式在石家莊水文水資源勘測局投入使用。