ＡＤＣＰ在水文流量测验中的应用研究(一)

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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?
　　
　　1 ADCP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＝2 F V／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：307．2 kHz；?
　　换能器发射角：20°；?
　　测速范围：±0．01～±10 m／s（水平方向）；?
　　速度分辨率：0．25 cm／s；?
　　测深范围：8．0～130 m。?
　　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=|V?b|．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――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|V?b|．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。?
　　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）?
　　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?=D?CZ??(b+1)???1Z??1(Z???b+1???2-Z???b+1???1∑nj=1U???xj??