ADCP技术在河道流量测验中的应用

2013-08-22刘健

科学时代·上半月 2013年6期

刘健

【摘要】ADCP技术是近年来发展速度较快的一种新型测量技术，具有诸多的优点，目前在河道流量测验中有所应用。本文通过介绍ADCP技术的一些基本情况，结合工程实例探讨了ADCP技术在河道流量测验中的应用，并总结了ADCP技术的应用前景，以供类似研究参考。

【关键词】ADCP技术；流量测验；基本原理；应用前景

河道流量测验是城市水文工作的重要组成部分，流量资料的获取对水资源的合理利用和城乡防汛抗旱工作具有重要的意义，这也使得业界人士对于河道流量侧测验技术提出了更高的要求。目前，传统的流速仪由于具有成本费用高、测量效率低和测量结果不准确等不足，在发生特殊水情的情况下，无法满足城乡防汛抗旱工作的需要，在一定程度上制约了防汛指挥部门相关工作的开展。而ADCP技术作为一种先进的测流方法，具有测验历时短、效率高、精度高和成本低等优点，能够有效降低测验人员的工作强度，解决水位流量测量存在的一些难题。

1.流量计算方法

ADCP采用矢量差乘积和微断面的深度平均流速矢量来进行流量计算，其计算公式为：

（1）

式中：Q──流量；

S———河流某断面面积；

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──河流断面上微元面积。

1.1 中部平均流速和流量

中部平均流速由ADCP直接测出，其值为所有有效单元所测流速之平均，其公式为：

（2）

式中：vxM──中部平均流速（x向分量）；

uxj──单元j中所测的x向流速分量。

中部流量公式为：

（3）

式中：QM———中部流量；

Z1──河底至最后一个有效单元的高度；

Z2──河底至第一个有效单元的高度；

vyM──中部平均流速（y向分量）。

1.2 表层、底层平均流速和流量

表层平均流速公式为：

（4）

底层流速平均流速计算公式为：

（5）

表层流量由下式确定：

（6）

式中：Δt──相应于微断面的测量时间平均步长；

m──断面内总的微断面数目；

vx、vy──分别为x、y方向的深度平均流速；

vbx、vby──分别为x、y方向的船速。

底层流量由下式确定：

（7）

1.3 岸边流量估算

对于岸边区域，ADCP不能测出其流速和流量，可以利用经验方法估算。岸边区域平均流速计算公式为：

va=αvm （8）

式中：va──岸边区域平均流速；

vm——起点微断面（或终点微断面）内的深度平均流速；

α──岸边流速系数，通常取用0.707。

岸边流量由下式估算：

QNB=αAavm （9）

式中：QNB──岸边流量；

Aa──岸边区域面积。

根据ADCP流量计算原理，断面流量等于中部、表层、底层流量与岸边估算流量之和。

2.比测分析

测验断面距某水库大坝1000m，河宽在100～120m，为卵石河床，正常水流状态下河床稳定，冲淤变化较小。通常情况下，除水库冲沙外，全年大部分时间水流含沙量较小或是清水水流。受水库调蓄变化的影响，水位变化频繁，日变幅较大，稳定时间短，这使流速仪测验的测次布设和测验控制很困难，也不能满足水情报汛需求，为此，2009年该站采用ADCP测流，并与传统的流速仪进行比测，经过比测分析，ADCP在该站取得了较好的效果。

（1）水深比测

将ADCP与缆道同步测深，取ADCP实测水深与缆道实测水深比较，共收集92个样本进行统计，比测分析成果见表1。

表1 水深比测统计

（2）垂线平均流速比测

将ADCP与缆道同步测速，取ADCP二个来回平均垂线流速值与流速仪法垂线平均流速比较，共收集了87个垂线平均流速比测样本，比测分析成果见表2。

表2 垂线平均流速比测统计

（3）流量比测

2009年采用流速仪精测法测验，系统地将ADCP流量资料与流速仪法资料进行了对比分析。共收集了48个样本，全部参加相关线检验。由流速仪法实测流量与ADCP计算的断面平均流量进行对比，按照《水文资料整编规范》要求进行精度分析、3种检验，分析成果见表3，结果显示，系统误差达标，3种检验均通过。

ADCP在水文流量测验中，充分显示了该仪器的先进性，有着与常规流速仪无法比拟的优势。目前在水文流量测验中，已基本普及了ADCP测流技术，为掌握水电站防洪调度、合理开发利用水资源、江河流域的科学治理和规划提供了基础资料。

表3 流量比测统计

3.ADCP测流中需注意的几个问题

3.1 高含沙水流对ADCP流量测验的影响

对于大部分河流，高含沙量的影响可能使底跟踪和水深测量失效，因此对于高含沙量的河流，应选频率较低的ADCP，可是通常低频率系统分辨率较低，不适合较浅的河流，这时宽带ADCP比窄带ADCP有较大的优越性，例如600kHz，深浅河流均可使用。如果ADCP在高含沙量水流中不能正常进行底跟踪和水深测量，只有采用差分GPS测量船速，采用测深仪测量水深。

3.2 河底推移质运动

河底泥沙在高流速时会随水流迁移形成推移质运动，如果河床有推移质在运动，底跟踪测量的船速将会有偏差，为了消除或减小由推移质运动引起的偏差，可以采用GPS测量船速。

3.3 深度单元尺寸的选择

受深度单元尺寸影响的参数包括：①流速测量精度；②流速测量垂向分辨率；③剖面深度；④实测范围。单元尺寸小，流速垂线数据点多，流速测量精度降低。因此水深较大时，应采用较大的单元，然而，当水深较浅时，应尽量选择较小的单元，以增大实测范围，即增加垂向有效单元的数目。

3.4 ADCP操作注意事项

在使用ADCP时，应按照ADCP操作规范进行操作，保护好三体船、换能器、蓄电池等相关零件，接线连接时，特别注意蓄电池正负极不能接反。流量测验之前，用软件进行自检，直到检测通过，然后设置仪器参数，即可进行流量测验，至少测二个回合才能统计测验数据。

4.应用前景分析

随着科学技术的发展，ADCP技术也在不断地更新，在提高测验精度、效率的同时，降低了测验人员的劳动强度，但也有几个待解决的问题：

（1）采用ADCP测验速度快，效率高，一般情况下要测二个来回取其平均值作为最终测验成果，由于两次测量线路不一定相同，这就给要求严格的资料整编带来不便。

（2）ADCP生成的测验成果不能很好地应用于南方片水文资料整编系统，数据需要手工录入相应表格。

（3）由技术的限制，ADCP测流存在表层、底层、左右岸盲区，盲区部分流量由流量数学公式进行计算。

（4）ADCP是声学测验设备，含沙量较大会对测验精度有一定的影响，在应用上受到限制，在低含沙量的河流上进行测验比高含沙量的河流上测验精度高。