走航式 ADCP 在河流测流中的应用

林 楠,祁敏敏,王佑喜

(浙江省河海测绘院,浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

河流流量观测是水文工作的重要内容之一,传统的方法是流速面积法,使用的仪器是转子式流速仪。这种方法原理简单、实用性强,但是施测时费工费时,结果计算繁琐,效率低,且计算过程容易出错。ADCP是近十几年发展和应用的新的流量观测方法,比传统的流速仪法效率提高几十倍,也无需繁琐的计算,测流结束即可直接得到河流流量,是河流流量测量的一次革命。

2 ADCP测流基本原理

ADCP(Acoustic DopplerCurrent Profilers),即声学多普勒流速剖面仪,其原理是依据声学多普勒效应。ADCP一般配有4个换能器,与ADCP轴线成一定夹角,每个换能器既是发射器又是接收器,假定颗粒物的运动速度和水体流速相同,当颗粒物的运动方向接近换能器时,聆听到的回波频率比发射波的频率高;当颗粒物的运动方向背离换能器时,聆听到的回波频率比发射波的频率低,这种现象即声学多普勒频移。

ADCP通过“水跟踪”测得水流相对于ADCP安装平台的速度,也就是由水中颗粒的回波测量得到。移动平台的速度通过 “底跟踪”测得,即接收和处理由河底的回波信号跟踪河底的运动得到,或由GPS算出。

ADCP基于公式 (1)计算流量:

式中:Q为流量 (m3/s);S为沿测船航迹断面面积(m2);为测船航迹断面某微元处流速矢量;为测船航迹上的单位法线矢量;dS为测船航迹断面上微元面积。

3 观测实例

本文以某专用水文站为期13个月的实测流量数据为依据,该水文站站址处江道顺直匀整、江床稳定,江宽约260 m,水流集中无分流、岔流、斜流、回流、死水等现象。

3.1 作业方法

观测方法采用传统流速仪法和走航式声学多普勒流速剖面仪(ADCP)全断面流量观测2种方法同步开展。ADCP采用美国RDI公司生产的瑞江600 kHz宽带ADCP。

3.1.1 传统流速仪法

在测流断面上布设了4条垂线(见图1),采用一船多线法,用直读式流速仪进行测点流速 (流向)观测。测点分层依水深而定,当水深＞4 m时按6点法(表层,0.2,0.4,0.6,0.8 H,底),当4 m＜水深＞2 m时按3点法(0.2,0.6,0.8 H),当水深＜2m时按1点法 (0.6 H)。流速仪的安装使用水文绞车。

图1 断面及测流垂线布设图

3.1.2 走航式ADCP观测

将ADCP直接与计算机连接,使用WinRiver软件即能在测船沿测流断面方向航行时直接测出断面流量。其断面线导航定位采用GPSRTK技术进行。

3.2 作业方法比较

从理论上讲,ADCP流量测量原理与传统的转子式流速仪法相同,是将测流断面分成若干个子断面,在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深,从而得到子断面内的平均流速和流量,再将各子断面的流量叠加得到整个断面的流量。但是它们之间存在着很大的差别:

(1)传统的转子式流速仪法是静态的,ADCP是动态的,可在随测船运动的过程中进行测量。转子式流速仪法要求测流断面垂直于河岸,ADCP法在走航测量中,测船的航迹可以是斜线或曲线,极大地方便了施测作业。

(2)传统的转子式流速仪法采样费时,通常不会将子断面划分得很细,垂线流速的测量点不多。因断面江宽只有约260m,故测流垂线只布设了4条。而ADCP由于采样速率很高,只需5～8min即可在此断面完成1次流量观测,将子断面划分得很细(可称为微断面),垂线流速测量点较多,相当于多台流速仪同时测量。

(3)传统的转子式流速仪受仪器本身的测速范围(0.05～4.50m/s)影响,当流速过快或过慢时,影响其测量精度,尤其是慢流速时,流速仪还会受到水文绞车绳索的影响,而ADCP的测速范围为0.01～10.00m/s,范围较宽,且在流速较慢、水深较浅时还可使用浅水模式施测,更好地提高了测流精度。ADCP是声学设备,受含沙量的影响。半潭断面在为期13个月的观测中,实测最大垂线含沙量仅为0.600 kg/m3,不影响测流精度。

3.3 ADCP的应用情况

(1)测流情况。用1付撑杆及绳索将ADCP固定在测船一侧,探头垂直朝下,为减小测船船体对ADCP仪器的影响,测船采用了充气橡皮船。在观测时,为提高精度,每测次往、返观测2次,取平均值作为观测结果。

(2)岸边流量处理。在每次测量结束时,即可得到断面流量。在施测时断面南、北岸距离靠肉眼估定,岸边流量存在误差,为消除此误差,只需结合实测水位和实测断面数据,以及实测起、终点坐标,算出各个测量时段的真实南、北岸距离,在WinRiver软件的回放模式下,在设置—配置设置—岸边流量估算中将两岸距离改成实际距离即可 (见图2)。

图2 岸边距离处理图

(3)对比工作。将流速仪法计算得到的断面平均流速、流量及结合水位和实测断面数据得到的断面面积与ADCP仪器测得的结果进行对比,表1为部分比测结果。

表1 部分比测结果表

由表1可知,在一般情况下传统的流速仪法计算得到的断面平均流速、断面面积和流量与ADCP测得的相比差值很小,因此ADCP在河流流量测量中是完全可行的。

(4)断面测量中可能影响ADCP测量精度的因素分析。理论上ADCP走航测量中,测船的航迹可以是斜线或曲线,但前提是起、终点必须在断面线上,使用GPSRTK定位时,天线盘和ADCP的位置,以及定位误差都可能使实际的起、终点偏离断面线,从而产生测流误差,还会使得计算得到的南、北岸距离产生误差,从而影响岸边流量估算。在实际测流过程中,为尽可能地减小误差,将天线盘安装于ADCP的垂直正上方。因此断面的河底以大粒卵石为主,当洪水期流速较快的时候,可能产生河底推移质运动,使得ADCP底跟踪测量的船速出现偏差,从而导致流速及流量测量偏小。

4 结 语

ADCP因其测流历时短、效率高在河流测流领域得到广

泛地应用。实际施测结果表明,ADCP在流况简单、含沙量较小、河床稳定的河流流量测量中是可行的。但在含沙量大、河底推移质运动明显的河流使用是否可行,以及如何减小误差还有待探讨。ADCP走航式流量测量只是其中一种功能,在定点测流等其它方面的应用也值得人们去探索与实践。

[1].中华人民共和国水利部.GB 50179—93河流流量测验规范[S]..北京:中国计划出版社,1994.

[2].田淳,刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M]..郑州:黄河水利出版社,2003.