水平式adcp在水文應(yīng)用中的技術(shù)探討

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1、水平式ADCP在水文應(yīng)用中的技術(shù)探討潘仁紅(廣西水文水資源局,廣西南寧530023)摘要:水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(H-ADCP)在應(yīng)用過(guò)程中必須要解決一些特定的技術(shù)問(wèn)題。著重對(duì)H-ADCP在水文應(yīng)用過(guò)程中的基本技術(shù)問(wèn)題,如:儀器的安裝,流速關(guān)系的率定,水位過(guò)程Z～t的確定和應(yīng)用,相應(yīng)斷面面積的確定等,做了一些分析,并提出了幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題的探討。通過(guò)分析探討,認(rèn)為ADCP的引進(jìn)和應(yīng)用,是整個(gè)水利系統(tǒng)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的發(fā)展趨勢(shì)之一。關(guān)鍵詞:H-ADCP;應(yīng)用;技術(shù);探討中圖分類(lèi)號(hào):TP39;TV877文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3279(2005)04-0045-030前言A

2、DCP是當(dāng)前在我國(guó)逐漸興起的一種新型測(cè)流儀器,具有操作方便、快速高效、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)ADCP按測(cè)流方式可以分為走航式和水平式兩種類(lèi)型,其中走航式ADCP直接測(cè)出流量,而水平式ADCP(H-ADCP)則是通過(guò)測(cè)量代表流層的流速,進(jìn)而推算得到斷面流量。比較這兩種類(lèi)型儀器,H-ADCP更為簡(jiǎn)便,易于操作,而且可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流斷面的流速流量過(guò)程。1H-ADCP的應(yīng)用1.1儀器的安裝在H-ADCP使用的過(guò)程中,需要注意的技術(shù)環(huán)節(jié)很多,其中儀器的安裝最為關(guān)鍵。H-ADCP的安裝位置一旦確定下來(lái),將盡量保持不變,也就是固定地對(duì)同一個(gè)流層(或垂線(xiàn))進(jìn)行監(jiān)測(cè),以保證其流量系列具有較好的一致性。

3、H-ADCP分為側(cè)視式和仰視式兩種,仰視式ADCP一般安裝于河床底部(通常位于代表性好的垂線(xiàn)上),在天然河道中應(yīng)用得很少,在此著重討論的是側(cè)視式測(cè)流儀。對(duì)于寬度較小的河流或渠道儀器主機(jī)安裝在河岸或渠壁的基座上;對(duì)于寬河流或渠道,主機(jī)可以安裝在河岸或渠壁上,也可以安裝在橋墩或其它建筑物側(cè)壁上。安裝高度方面,要根據(jù)具體情況而定,基本原則是:(1)使其大致位于歷年平均水深的60%處;(2)且處于歷史最枯水位或需測(cè)水位以下一定的距離;(3)同時(shí)還要高于河底的淤積層,避免主機(jī)遭受掩埋。此外,在安裝過(guò)程中應(yīng)注意使兩個(gè)聲學(xué)傳感器位于同一水平面上,同時(shí)要注意主機(jī)底面必須垂直,以保證聲束為水平發(fā)射

4、。實(shí)際上,天然河道斷面的實(shí)際情況非常復(fù)雜H-ADCP的初始安裝位置并不容易確定,事先往往要進(jìn)行大量的調(diào)查和分析。需要由水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)提供一系列必需的基礎(chǔ)資料,以提出真正適合測(cè)流斷面的觀測(cè)方案。這些基礎(chǔ)資料主要有:(1)儀器安裝斷面的大斷面圖;(2)該站的歷史最高水位和最低水位;(3)該站的最大流速和最大流量;(4)該站是潮汛河道,還是山溪性河流;(5)河道的通航,尤其是儀器安裝所在岸邊的通航情況;等等。1.2流速關(guān)系v斷面=f(v流層)的率定在滿(mǎn)足儀器安裝原則的情況下,還應(yīng)進(jìn)行代表流層的比測(cè)分析工作,涉及到v流層和v斷面兩個(gè)重要流速的關(guān)系率定問(wèn)題。通常,v斷面的測(cè)定需要應(yīng)用斷面流量

5、測(cè)驗(yàn)儀器(轉(zhuǎn)子式流速儀或走航式ADC等)來(lái)進(jìn)行。在比測(cè)的具體操作上,要求H-ADCP與斷面流量測(cè)驗(yàn)儀器同時(shí)測(cè)量,流層流速v流層由H-ADCP直接測(cè)出,而斷面平均流速v斷面則由轉(zhuǎn)子式流速儀或走航式ADCP的測(cè)定流量Q測(cè)及相應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA,依據(jù)式(3)求出:v斷面=Q測(cè)/A(3)依照上述方法,分別測(cè)出不同水位級(jí)的v流層、v斷面點(diǎn)據(jù)系列,用于分析率定其關(guān)系方程。v流層～v斷面關(guān)系方程通常采用如下三種形式表達(dá):v斷面=av流層+bZ+c(4)或v斷面=a·ln(v流層)+b(5)或v斷面=av流層+b(6)式中:v斷面—斷面平均流速,v流層—流層流速,Z—水位,a、b、c—待定系數(shù)。以

6、上三個(gè)公式的確定,主要是根據(jù)v流層、v斷面系列,通過(guò)回歸分析計(jì)算,率定出經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)a、b或a、b、c。這三種公式在實(shí)踐中都會(huì)運(yùn)用得到,建議每種形式都進(jìn)行嘗試,從中選取最佳的擬合方程。1.3水位過(guò)程Z～t的確定和應(yīng)用在流速關(guān)系方程確定下來(lái)后,就可以通過(guò)監(jiān)測(cè)流層流速,實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面平均流速的變化過(guò)程測(cè)定。但這與流量過(guò)程Q～t的求取尚有一段的距離,因?yàn)檫€需要確定與之相對(duì)應(yīng)斷面面積及其變化,才能通過(guò)式(2)來(lái)推算出流量值及其逐時(shí)變化過(guò)程。斷面面積A,通常是通過(guò)水位的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此,著重探討水位觀測(cè)成果與水平式ADCP的流速監(jiān)測(cè)成果如何銜接的問(wèn)題,也就是如何實(shí)現(xiàn)水位、流速電算一體化的問(wèn)題。

7、生產(chǎn)廠家已充分考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題,他們推出了一系列帶水位探頭的儀器,可以在測(cè)定流速的同時(shí),實(shí)施水位觀測(cè),于是直接達(dá)到了水位、流速一體化的目的。但從技術(shù)角度上看,ADCP水位觀測(cè)與水文站本身的水位測(cè)量系統(tǒng)有重復(fù)建設(shè)之嫌,而且得到的兩個(gè)水位系列時(shí)常會(huì)發(fā)生矛盾(比如在水中有懸浮物時(shí),H-ADCP的水位觀測(cè)精度會(huì)受到影響等),這時(shí)候就需要工作人員特別注意對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,并及時(shí)修訂其中不合理的部分。一些早期儀器產(chǎn)品并未帶水位探頭,只能根據(jù)水文站本身的水位觀測(cè)值系列進(jìn)行摘取或內(nèi)插。在完成