ａｄｃｐ在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

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1、ＡＤＣＰ在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用研究摘要：介紹ADCP基本原理及流量計(jì)算方法，通過ADCP與管道流量計(jì)同步測(cè)流進(jìn)行對(duì)比，并與常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)深、測(cè)速比測(cè)試驗(yàn)，分析比測(cè)資料，進(jìn)行參數(shù)修正，提高該儀器測(cè)驗(yàn)精度，以達(dá)到正式投入應(yīng)用的目的。關(guān)鍵詞：ADCP；流量測(cè)驗(yàn)；測(cè)深；測(cè)速；比測(cè)試驗(yàn)　　　　1ADCP基本原理及流量計(jì)算　　　　1．1基本原理　　ADCP實(shí)際上應(yīng)是一個(gè)包括：（1）ADCP換能器（4個(gè)探頭）；（2）操作軟件系統(tǒng)；（3）計(jì)算機(jī)及連接設(shè)備等3個(gè)主要部分組成。利用聲學(xué)原理，ADCP向水體發(fā)射一個(gè)（一對(duì)或一組）聲脈沖，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒

2、后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個(gè)頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP的速度。同時(shí)，還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測(cè)出ADCP安裝平臺(tái)（測(cè)船）的運(yùn)動(dòng)速度以及水深，然后將水流相對(duì)速度扣除船速得到水流的絕對(duì)速度。　　按多普勒頻移方程：　　Fd＝2FV／C（1）　　式中：Fd——多普勒頻移；　　F——發(fā)射頻率；　　C——超聲波在水體中的傳播速度，與溫度、含鹽度有關(guān)；　　V——水流的運(yùn)動(dòng)速度。　　從公式可知，發(fā)射頻率F為已知，只要測(cè)定聲速C和頻移Fd，即可求出水流速度。　　DR0300型ADCP主要技術(shù)指數(shù)如下：

3、　　工作頻率：307．2kHz；　　換能器發(fā)射角：20°；　　測(cè)速范圍：±0．01～±10m／s（水平方向）；　　速度分辨率：0．25cm／s；　　測(cè)深范圍：8．0～130m。　　1．2流量計(jì)算　　ADCP基于如下的公式計(jì)算流量：　　QADCP=su．ξds（3）　　式中：QADCP——流量；　　S——河流某斷面部分面積；　　u——河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；　　ξ——作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；　　ds——河流斷面上面積微元，由下式確定：　　ds=

4、Vb

5、．dz．dt（4）　　式中：dz——垂向長(zhǎng)度微元，z自河

6、底起算；　　dt——時(shí)間微元；　　Vb——船速矢量；　?。黇b｜——作業(yè)船速度（沿航跡）。　　將沿航跡的斷面離散為m個(gè)微小斷面，則公式（3）可以寫為：　　QADCP=∫T0∫Ｈ0u．dz．ξ

7、Vb

8、．dt=∫Ta∫Ｈ0cu×Vb．k．dzdt=∑mi=1〔（V×Vb）．k〕．HiΔt（5）　　式中：T——航行時(shí)間（跨斷面）；　　Hi——在i測(cè)量微小斷面處的水深；　　m——斷面內(nèi)總的微小斷面數(shù)目；　　Δt——相應(yīng)于測(cè)量微小斷面的平均時(shí)間；　　k——垂向單位矢量；　　V——相應(yīng)于測(cè)量微小斷面的垂線平均流速矢量。　　V=1

9、H∫H0u．dz（6）　　因存在上、下盲區(qū)，垂線平均流速的計(jì)算分為中層、表層和底層3部分。　　1．2．1中層流速　　中層平均流速由系統(tǒng)直接測(cè)出，其值為第一個(gè)垂向單元至靠近河底單元（未受到河底干擾）所有單元所測(cè)流速之平均：　　VXM=1n∑ni=1Uxj(7)　　式中：Uxj——單元j中所測(cè)的x向流速分量；　　n——微斷面中有效單元的數(shù)目。　　1．2．2表層流速　　由于ADCP換能器必須浸入水中一定深度，系統(tǒng)不能直接測(cè)出這部分水流速，形成表層盲區(qū)，一般采用指數(shù)流速分布公式來推求：　　UU．=9.5×ZZ0b（8）

10、　　式中：U——高度Z處的流速；　　U．——河底剪切流速；　　Z0——河底粗糙高度；　　b——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取16。　　公式（8）整理后，令ax=9.5U．/Zb0，則對(duì)x向量流速分量：　　Ux=axZb（9）　　設(shè)Z1為河底至靠近河底單元（未受河底干擾）的高度，Z2為河底至第一個(gè)單元的高度，垂向單元長(zhǎng)度為Dc，則在中層進(jìn)行積分可得到中層平均流速：　　1．2．3底層流速　　由于河底對(duì)聲束的干擾，在河底存在一干擾區(qū)（底盲區(qū)），其流速數(shù)據(jù)不能使用。類似于表層流速的推導(dǎo)過程，底層平均流速的計(jì)算公式為：　　VXB

11、=DCZ(b+1)1Z1(Zb+12-Zb+11∑nj=1Uxj　　則x方向分量垂線平均流速計(jì)算公式為：　　Vx=1H∫H0Uxdz=1H〔∫Z10Uxdz+∫Z20Uxdz+∫HZ2Uxdz〕=1HZ1VXB+(Z2-Z1)VXM+(H-Z2)VXT=HbDC(Zb+12-Zb+11)∑nj=1Uxj　　同理，y方向各分量與上述各式類似。　　1．3岸邊流量估算　　由于作業(yè)船不可能緊靠岸邊測(cè)驗(yàn)，ADCP不能測(cè)出近岸邊的流速和流量?？梢?/p>