ADCP河流流量测量原理和方法

12002200220022002年年年年4444月修改稿月修改稿月修改稿月修改稿ADCPADCPADCPADCP河流流量测量原理和方法河流流量测量原理和方法河流流量测量原理和方法河流流量测量原理和方法黄河宁美国亚迪仪器（RDI）公司1.0引言2.0ADCP简介3.0ADCP流量测量原理4.0岸边流量估算5.0ADCP流量测量基本要求6.0ADCP流量测量中的几个问题7.0参考文献附录AADCP名词解释附录BADCP分类附录CADCP流量测量精度分析附录D“骏马”系列“瑞江”牌河流ADCP简介1.01.01.01.0引言引言引言引言河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。传统的河流流量测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从而得到垂线平均流速。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。这种传统方法费工费时，效率低。用ADCP进行河流流量测量是近十年才发展和应用的新的流量测量方法。ADCP，是英文AcousticDopplerCurrentProfiler的缩写。中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。ADCP流量测量方法的发明被认为是河流流量测量领域的一次革命。当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，ADCP即刻测出河流流量。它比传统的河流流量测量方法提高效率几十倍。它标志着河流流量测量的现代化。本文简要介绍ADCP和ADCP河流流量测量原理和方法。2.0ADCP2.0ADCP2.0ADCP2.0ADCP简介简介简介简介第一台商品ADCP诞生于七十年代中期。它是由声学多普勒计程仪演变出来的，因此是船载式ADCP。1982年，美国RDI公司开发出它的第一代ADCP：窄带ADCP；1991年，RDI公司开发出它的第二代ADCP：宽带ADCP（关于窄带和宽带ADCP的解释可参见附录2）；1995年，RDI公司开发出它的第三代ADCP：“骏马”系列ADCP。第一代和第二代ADCP尺寸和重量都很大。价格昂贵。第三代ADCP尺寸和重量都大大减小。价格降低了一半左右。第三代ADCP的诞生，标志着ADCP技术已达到成熟和普及的阶段。至2001年底，大约有3500千多台RDI公司生产的ADCP应用于世界各地的海洋和河流。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。与机械式或电磁式流2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或电磁式流速仪。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，换能器聆听到的回波频率比发射波频率高。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率低。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：)1(2CVFFsd=式中：Fd是声学多普勒频移；Fs是回波频率；V是颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）；C是声波在水中的传播速度。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互独立的空间声束座标系。另外，ADCP自身定义有直角座标系：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）后才得到水流的绝对速度。有两种方法可以测量船速。第一种方法称为“底跟踪”。“底跟踪”是指ADCP通过接收和处理由河底或海底的回波信号跟踪河底或海底的运动。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，再除以相对应的时间即得到船速。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，和第三代ADCP都有专门为河流流量测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。整个测量系统包括三个主要部分:(1)ADCP,（2)电脑，(3)数据采集软件。软件主要功能包括:实时数据采集和显示，以及流量计算。实时显示的数据有流速矢量，水深，航迹，流量等。实时测量结果还可以列表显示。图23为ADCP系统软件屏幕显示。在进行流量测量作业中，ADCP实时测出水体相对于作业船的速度和作业船相对于河底的速度(即船速)。水体的真实流速则由相对速度减去船速(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驶至另一侧时,即给出河流流量。图1用ADCP进行河流流量测量图2ADCP系统软件屏幕显示(WinRiver)3.03.03.03.0ADCPADCPADCPADCP流量测量原理流量测量原理流量测量原理流量测量原理从理论上讲，ADCP流量测量原理与传统的人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量的基本原理是一样的，都是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线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，每条垂线上的测点也很多。然而，与传统方法相比，ADCP方法有如下几点不同：（1）传统方法是静态方法。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上进行测量。ADCP方法是动态方法。ADCP在随测量船运动过程中进行测量。（2）传统方法的测流断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4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（相对于船的速度，由“水跟踪”测出）（2）船速(由“底跟踪”测出,或由GPS算出)（3）水深（由河底回波强度测出，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“旁瓣”区（河底对声束的干扰区）。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换能器轴线倾角为20度，相应的“旁瓣”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。其流速需通过实测区数据外延来估算。3.13.13.13.1流量计算方法流量计算方法流量计算方法流量计算方法ADCP流量计算方法最早由Christensen和Herrick(1982),以及SimpsonandOltmann(1993)提出。他们采用单元流速与船速矢量叉乘积（称为f值）进行计算公式的推导。这里，我们同时采用矢量叉乘积和微断面的深度平均流速矢量来进行公式推导。ADCP基于如下的公式计算流量: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ξξξξ=作业船航迹上的单位法线矢量ds=河流断面上微元面积ds由下式确定:式中:dz=垂向微元长度dt=时间微元Vb=船速矢量|Vb|=作业船速度(沿航迹)z=垂向坐标,z=0为河底,z=H为水面(H=水深)|Vb|由下式确定:∫∫•Sdsu=Qξ((((２２２２)))))3(dtdzVdsb⋅⋅=5式中:Vbx和Vby分别为x和y方向的船速。(x,y)为水平面上的总体座标系。公式(２)可以重新写为:式中:T=跨断面航行时间k=垂向单位矢量定义f为点流速流速与船速矢量叉乘积(SimpsonandOltmann,1993):式中角标x和y分别表示x和y方向的速度矢量。注意到叉乘积的结果与坐标无关,即:x-y可以是任意固定坐标。将沿航迹的断面离散为m个微断面,则：式中:Hi=微断面i处水深∆t=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V====相应于每一微断面的深度平均流速矢量:每一微断面的深度平均流速矢量V由下式计算:式中H由下式确定:H=换能器入水深度+ADCP实测深度(９)ADCP在进行测量时,不但在水平方向上将沿航迹的断面划分为微断面(共m个),同时在垂向将水体划分为小单元。有效单元的数目n由下式确定:n=(实测换能器离河底高度×λ–盲区-Δ)/单元长度Dc(10)参数λ取决于“旁瓣”区的厚度。如果“旁瓣”区的厚度大约为水深的6%，λ=0.94。对于窄带型ADCP,Δ=0。对于宽带型ADCP，Δ由下式确定：)4(22bybxbVVV+=)5()(||0000dtdzkVudtVdzuQHbTbTH⋅•×=⋅•⋅=∫∫∫∫ξ)8(10∫⋅=HdzuHV)6()(bxybyxbVuVukVuf−=•×=)7(][])[(][1110tHVVVVtHkVVtdzfQiimibxybyxiimibmiHii∆⋅−=∆⋅•×=∆⋅=∑∑∑∫===6)11()(210cpDDD−+=∆式中：Ｄp＝脉冲长度Ｄ0＝脉冲延迟长度设Df为第一个有效单元(靠近换能器)的深度，则：Df=换能器深度+仪器盲区+单元长度Dc+Δ(12)设Dl为最后一个有效单元(靠近河底且未受河底干扰的单元)的深度，则：Dl=Df+nDc(13)设Z1为河底至最后一个有效单元的高度,Z2为河底至第一个有效单元的高度,则:深度平均流速的x方向分量由下式算出(y方向分量类似):式中:VxT=表层平均流速(x向分量)VxM=中部平均流速(x向分量)VxB=底层平均流速(x向分量)中部平均流速和流量中部平均流速和流量中部平均流速和流量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。x方向分量由下式算出(y方向分量类似):式中:uxj=单元j中所测的x向流速分量中部流量由下式给出:)17(11∑==njxjxMunV)16(])()([1][112121002211xTxMxBHZxZZxZxHxxVZHVZZVZHdzudzudzuHdzuHV−+−+=++=⋅=∫∫∫∫)14(211clDDHZ−−=)15(212cfDDHZ+−=)18()()][(12111tZZVVVVtDfQiibxmiyMbyxMcminjjM∆−⋅−=∆=∑∑∑===7表层和底层平均流速和流量表层和底层平均流速和流量表层和底层平均流速和流量表层和底层平均流速