探求垂线测点流速关系的新方法
2015-02-25李圣山陈莉红黄韶波
李圣山,陈莉红,黄韶波
(黄委河南水文水资源局,河南 郑州450004)
1 背 景
水文流量测验是水文测验的一项重要内容,在洪水涨落急剧或者漂浮物过多时,用传统流速仪施测流速,不能采用多点法施测时,只好采用水面一点法施测水面流速,利用水面流速和垂线平均流速建立关系确定的系数来推求垂线平均流速。采用水面一点法推求垂线平均流速,在水文流量测验中是一种常见的方法,但是水面流速和垂线平均流速的关系不是一个恒定值,在不同的河道内,会有所不同。为确定水面流速和垂线平均流速的系数,需要采用多点法施测,获取足够多的数据来分析确定水面流速和垂线平均流速的关系,这种方法费时费力。随着社会科技的发展,目前探索一种新的方法来确定水面流速和垂线平均流速的关系是必要的,也是可行的。
近年随着流量测验新一代仪器走航式ADCP(声学多普勒流速剖面仪)的引进应用,ADCP 在操作上具有简单、快捷,在获取数据上具有垂线数目多、测点分布多等特点,不仅可以减少人力、物力,而且可以提高测验精度,目前使用ADCP 施测流量也变成一种新常态。因此可以探求利用ADCP 的数据来分析新测验断面上水面流速与垂线平均流速的关系。
2 ADCP 测流原理
走航式ADCP 测流原理与传统流速仪测流的原理基本是一样的,都是在测流面上布设垂线,在每条垂处测量水深和流速,推求垂线平均流速,只是获取数据的方法不同而已。ADCP 所测的垂线数目比传统流速仪测的垂线数目要多很多,每条垂线上测点也很多。
测流原理:ADCP 仪器一般都是通过按一定规则排列的几个声波换能器,其探头向水体中发射脉冲声波,然后接收来自水体中挟载的浮游生物、泥沙小颗粒等反射体的反射信号,依据反射信号的多普勒频移计算水相对于ADCP 的运动速度矢量;利用测底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量,取两者矢量差值就是要测量的流速矢量。用航行速度乘以时间可计算出水面宽。有了水深、水面宽和流速,即可计算流量。
其流速测验原理如下式:
式中:V——径向速度,mm/s;FD——多普勒频移,NZ;FS——ADCP 声波频率,KHZ;C——声速,m/s。
其流量测验原理如下式:
式中:Q——流量,m3/s;n——L 点法向单位矢量,L为横渡河流路径上任意一点;u——流量矢量;z——水深,积分取水面至水底和此岸至彼岸,m。
对于某一测流断面,ADCP 只能测出该断面中部区域内的数据,这个区域称为ADCP 实测区,但在断面四个边缘区域内不能提供有效的测量数据:第一个区域为水面,其厚度大约为ADCP 换能器入水深度ADCP 盲区,以及单元尺寸一半之和;第二个区域为河底,称为“旁辨”区(河底对声束的扰区),其厚度取决于ADCP 换能器轴线倾角;第三和第四个区域为河边区域。这四个区域称为非实测区,这部分区域数据需通过测区数据外延来推算。
3 探求方案
在断面上进行ADCP 测验,测验要求符合相应规范要求,ADCP 选取盲区为0.05 m 的仪器,探头入水深度0.10 m,水深单元高度0.05 m,从ADCP 测验数据中提取水深大于3.0 m 垂线数据,将水层单元流速通过一定的计算方法转换为相对水深处的流速,这里是按照垂线5 点法符合相应规范(水面、0.2,0.6,0.8,河底)要求转换为相应水深处的流速。
这种方法可以推求水面和水深0.2 m 处的测点流速与垂线平均流速的关系,这里选择探求水面流速与垂线平均流速的关系。
测点流速:当测点绝对水深在有效水层范围内时用直线内插推求流速流向,获取相应测点处的流速。当测点绝对水深在有效水层范围外时,按照流速仪测流时一般是测水下0.1 m 处测点流速,ADCP 数据中,水面距离有效水层长度=盲区0.05 m+探头入水深度0.1 m+单元长度0.05 m=0.2 m,水深大于3.0 m 时,所占百分比较小,因此可以用直线外推法获取表层与底层测点流速。
4 计算成果
为了对求得的系数具有适应性,选择一处断面,外业实验按流量3 个等级分别进行:900 m3/s,1 700 m3/s,2 500 m3/s。
1)流量为900 m3/s 时,计算结果见表1。
2)流量为1 700 m3/s 时,垂线平均系数0.89。
3)流量为2 500 m3/s 时,垂线平均系数0.88。
依据以上计算的水面流速系数很相近,与河道经验值相符,可以取其平均值作为水面系数计算成果:(0.87+0.88+0.89)/3=0.88。
表1 垂线平均流速与水面流速关系表
5 结 语
通过以上分析ADCP 测得的数据,得出计算的水面系数结果与河道经验值相符,结果可以应用。可见根据ADCP 垂线测点流速的相关性,推求垂线各测点流速的关系,这种方法是可行的,不仅节省人力、物力和时间,而且给以后水文测验工作探索又添了一种新途径。