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ADCP河流流量测量原理和方法
(发布日期:2014-01-15  责任编辑:联信科技)

美国亚迪仪器(RDI)公司

1.    0引言

      河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。传统的河流流量方法包括人工船测,桥测,缆道测量,和涉水测量等。其基本原理是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速仪从而得到线平均流速。进而得到断面面积和断面平均流速。流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。

    ADCP是英文Acoustic Durrent Profiler的缩写。中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时,ADCG即刻测出河流流量。

本文简要介绍ADCP和ADCP河流流量测量原理和方法。

2.    ADCP简介

    顾名思义,ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。与机械式电磁式流速仪不同,ADCP是一种遥测仪器。即ADCP流速测量点不在ADCP所处的位置。而且,ADCP可以测量距其一定范围内的许多点的流速。也就是说,一台ADCP可以替代许多台机械式电磁式流速式。

   为了测量三维流速,ADCP一般装备有四个(或三个)声换能器。换能器总是安装成与ADCP轴线成一定倾角。每个换能器即是发射器对应于一个声束。换能器发射的声波尽可能集中于较窄轴线成一定倾角。每个换能器即是发射器又是接收器。换能器发射的声波尽可能集中于较窄的声束范围内。每一个换能器对应于一个声束。换能器发射某一固定频率的声波,然后聆听被子水体中颗粒物散射回来的声波。假定水体中颗粒物与水体流速相同。当颗粒物的移动方向是接近换能器时,换能器聆听到的回疲频率高。当颗粒物的移动方向是背离换能器时,换能器聆听到的回波频率比发射波频低。声学多普勒频移,即发射声波频率与回波频率之差由下式确定:

                       
式中:Fd是声学多普勒移;FS是回波频率;V是颗粒物沿声方向的移动速度(即沿声束方向的水流速度)C是声波在水中全会传播速度。

    ADCP每个换能器轴线即为一个声束座标。每个换能器测量的流速是水流是水流沿其声束座标方向的速度。任意三个换能器轴线即组成一组相独立的空间声束座标系。另外,ADCP自身定义有直角坐标系:X―Y―Z。Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一声束座标的流速。然后经过座标转换为X―Y―Z座标系下的三维流速。然而X―Y―Z是局部座标系。利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据,X―Y―Z座标下的流速可转换为地球座标系下的三维流速。

      ADCP基本上有两种安装方式和应用,一种是安装在固定平台上(如河底或海底)进行定点垂线(或水平)流速分层测量(在海洋水文中称为流速剖面测量)。例如RDI公司生产的“骏马”系列“哨兵”型ADCP的应用。另一种是安装在活动或移动平台上(如调查船上)进行走航流速剖面测量。例如RDI公司生产的“骏马”系列“瑞江”牌ADCP的应用。

ADCP通过跟踪水体中颗粒物的运动(称为“水跟踪”)所测量的速度是水流相对于ADCP(也即ADCP安装平台)的速度。当ADCP安装在固定平台上(水跟踪“测量的流速即为水流的绝对速度。当ADCP安装在船上(移动平台),“水跟踪”测量的相对速度中扣除船速(平台的移动速度0后才得到水流的绝对速度。

有两种方法可以测量船速。第一种方法为“底跟踪”是指ADCP通过接收和处理品由河底或海底的回波信号跟踪河底的运动。如果河底或海底没有移动的悬移质,“底跟踪”所测量的速度即是船速。第二种方法是利用GPS测量船速。由航迹上任意两点的GPS座标值可以得到两点间的位移,再除以相对应的即得到船速。一般来说GPS方法测船速不如“底跟踪”方法精确。

ADCP用于河流流量测量已有十年的历史了。RDI公司的第一代,第二代,和批三代ADVCP都有专门为河流流量设计和制造的河流型ADCP。图1显示了“骏马”系列“瑞江”牌河流型ADCP图片。整个测量系统三个主要部分:以及流量计算。实时显示的数据有流速矢量,水量,航迹,流量等。实时测量结果还可以列表显示。在进行流量测量体的真实流速成则由相对速长减去船速(矢量差)来得到。ADCP同时还测出水深(类似于声纳测深)。这些数据(包括流速,船速,水深)由电脑在系统操作软件控制下实时采集,处理,并实时计算每一微断面的流量,当作业船沿某断面从河一侧时,即给出河流流量。

3.0ADCP流量测量原理

从理论上讲,ADCP流量测量原理与传统人工船测,桥测,缆道测量,和涉水测量的基本原理是一样的,都是在测流面上布设多条垂线。在每条垂处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速。只是ADCP所测的垂线可以很多,每条垂线上的测线上测点也很多。然而,与传统方法相比,ADCP方法有如下几点下同:

(1)           传统方法是表态方法。即无论是人工船测,桥测,缆道测量,还是涉水测量,仪器总是固定于所测垂线进行测量。ADCP方法是动态方法。ADCP在随测量船运动过程中进行测量。

(2)      传统方法的测流面通常要求垂直于河岸。ADCP方法不要求测流断面垂直于河岸。船航行的轨迹可以是斜线或曲线。

为了计算流量,ADCP在走航测量中测量如下数据:

(1)      水的相对速度(相对船的速度,由“水跟踪”测出)

(2)      船速(由“底跟踪”测出,或由算出)

(3)      水深(由河底回波测出,类似于回声测深仪)

(4)      船的航行轨迹(由船速和计时数据算出,或由GPS算出)

前面已提到,从相对速度中扣除船速得到水流的绝对速度。

   对于某一测量断面,ADCP将测出该断面中部区域内的流速。这个区域称为ADCP实测区。然而,在四个边缘小区域内ADCP不能提供测量数据或有效测量数据。第一个区域靠近水面,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。第二个区域靠近河底,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(与ADCP轴线的夹角)。例如RDI公司“瑞江”牌ADCP换能器轴线倾角20度,相应的“旁辨”区厚度大约为水深的6%第三和第四个区域为靠近河岸两侧的区域,其水深较浅,测量船不能靠近或者不能保证至少一个或两个有效测量单元。这四个小区域称为非实测区。其流速需通过测区数据外延来估算。

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