ADCP在長江上游河道中的應(yīng)用

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1、ADCP在長江上游河道中的應(yīng)用   摘 要:本文簡述了ADCP的測流原理,通過實例描述了ADCP在長江上游河道中的應(yīng)用情況,分析了ADCP在長江上游河道應(yīng)用中的問題及處理方式,為ADCP測流系統(tǒng)的應(yīng)用中提供一定的經(jīng)驗。   關(guān)鍵詞:ADCP;多普勒效應(yīng);頻移;長江上游;測流   中圖分類號:U612.2 文獻標識碼:A 文章編號:1006―7973(2017)04-0040-02   ADCP,即Acoustic Doppler Current Profilers,聲學多普勒流速剖面儀,是上個世紀八十年代開始發(fā)展的一種聲學儀器。經(jīng)過多年的發(fā)展

2、和實踐,其技術(shù)及應(yīng)用亦越趨成熟。目前ADCP憑借其高效安全,可實時獲得直觀而全面的成果數(shù)據(jù),廣泛的應(yīng)用于各項水文測驗中。目前,利用走航式ADCP測流也成為主要的測流測驗手段之一。   1 ADCP測流原理及儀器簡介   1.1 ADCP測流原理   ADCP,即聲學多普勒流速剖面儀,通過測定隨水流運動的微小顆粒物的速度而測定水的流速。   當換能器發(fā)出固定頻率的脈沖聲波,被隨著水流運動的微粒物反散射,再被ADCP換能器接收。通過多普勒效應(yīng)可知,反散射后的聲波頻率會隨著儀器與微粒物的相對位置的改變而改變,其與發(fā)射聲波的差值就是聲學多普勒頻移。   1.2 儀器簡介   長江上游河道狹

3、窄,彎急灘險,水流湍急,流速較快約為3m/s左右,汛期部分河段流速可達4m/s以上,而部分峽谷河段,其深度可達40,50米以上,流量可從枯水時的3000m3/s到汛期20000m3/s以上。所以經(jīng)過綜合考量在上游航道水文測驗中使用的ADCP設(shè)備主要為美國RDI公司研制的第三代駿馬系列的瑞江牌走航式ADCP 600KHz以及300KHz。其波束角為20,RS232或RS-422串口通訊,重量為7.0kg,精度為 0.25%V+2.5mm/s。   2 流量測驗的實施   2.1 儀器檢校   2.1.1 儀器電量檢校   工作前應(yīng)首先檢查蓄電池電壓是否穩(wěn)定電量是否充足,保證工作用的筆記本

4、電腦電量充足。   走航式ADCP測驗斷面流量,橫渡河流的過程必須是一個連續(xù)不可中斷.如果測驗時由于斷電等因素造成測驗過程中斷,就只能返回斷面起始點重頭開始。所以必須保證儀器設(shè)備的電壓電量穩(wěn)定充足,避免中斷流量測驗,以提高工作效率。   2.1.2 ADCP的自檢   將ADCP同電腦連接,運行BBTLAK軟件,首先設(shè)置好串口及通訊參數(shù),再運行 TestWH.rds 命令文件,ADCP即可自動完成測試。測試結(jié)果保存在同目錄下的WH_TEST文件中。   使用ADCP前應(yīng)該運行BBTALK軟件進行ADCP自檢,保證設(shè)備連通性。ADCP不同于其他聲學設(shè)備的一點是,其在空氣發(fā)射聲波脈沖也不會

5、損壞儀器。所以儀器的自檢可以入水前進行,以便及時發(fā)現(xiàn)問題,節(jié)省工作時間。   2.2 流量施測   ADCP自檢后即可安裝入水,未避免造成ADCP內(nèi)置磁羅經(jīng)磁偏角誤差,測船應(yīng)避免選用鐵質(zhì)船殼,所以測驗時選擇的是玻璃鋼材質(zhì)的快艇。保證ADCP的3#換能器朝向船首,且與測船中軸線平行。   完成硬件連接后,打開電腦中的測流軟件WinRiver v1.05,首先需要輸入ADCP的配置參數(shù),如換能器吃水,測船最大船速,斷面最大流速,水深單元數(shù),水深單元層高,最大水深等。當測驗未知斷面時,為了獲得準確的斷面參數(shù),可對斷面預(yù)測一次,以獲知準確的配置參數(shù)。   當參數(shù)無誤時,即可點擊測流軟件WinR

6、iver v1.05菜單欄中的“采集”目錄下的“開始發(fā)射”。此時測船到達測流斷面起始位置時,再點擊“開始記錄數(shù)據(jù)”,輸入岸邊距離即開始測流,當測船勻速到達對岸測流斷面終點時,即可點擊“停止記錄數(shù)據(jù)”后輸入岸邊距離結(jié)束測量。   如此往返兩個測回后所得的四組數(shù)據(jù),取其平均值為此次斷面測流的最終成果。   2.3 流量測驗的問題及處理  ?。?)流量測驗中如發(fā)生河底走沙或河床底部懸沙濃度過大,造成ADCP的“底跟蹤”失效,ADCP在Btm模式下無法測得船速時, 需要外接GPS,WinRiver測流軟件選用GGA模式。若ADCP無法測得準確水深時,還應(yīng)外接測深儀。如果測船為鐵質(zhì)船殼或換能器旁有

7、其他鐵制件等可產(chǎn)生較強磁場干擾時,此時需要進行磁偏角校正,最好可以外接羅經(jīng),以減少誤差提高精度。若外接GPS,應(yīng)在測前校正ADCP與GPS的時間 。  ?。?)測流時應(yīng)保證測船速度低于最大流速,且保證船速均勻,以提高保證測得數(shù)據(jù)均勻分布于測流斷面,以提高斷面測驗精度。   (3)汛期時部分斷面由于水流含沙量大,流速過快,因水位改變產(chǎn)生回水,泡漩等,應(yīng)該及時改變斷面位置,選擇河道順直,水勢較好處,并選用頻率較低的ADCP。   3 測驗數(shù)據(jù)整理及分析   ADCP可以直觀的獲得測流相關(guān)的各項數(shù)據(jù),例如每組數(shù)據(jù)的流速,流向(包括沒個單位數(shù)據(jù)的三維分量)以及每個單位數(shù)據(jù)的流量;還可以查看每條

8、斷面估算的上層流量,底層流量和兩岸盲區(qū)的流量;測船在橫渡過程中的橫縱搖數(shù)據(jù),船速,航向等;更能直觀的顯示測得數(shù)據(jù)中的壞值,能及時發(fā)現(xiàn)問題,反應(yīng)測流成果的可靠性。   通過WinRiver軟件可導(dǎo)出的ASCII數(shù)據(jù),表頭內(nèi)容包括用戶設(shè)置的參數(shù)(水深單元尺寸、換能器下盲區(qū)長度、吃水、水深單元個數(shù)等);當前剖面的信號數(shù)據(jù)(時間、姿態(tài)、溫度);當前剖面的平均流速分量、測深數(shù)據(jù)等;跟蹤軌跡數(shù)據(jù);GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù);流量信息;水深信息。各水層單元的數(shù)據(jù)包括當前水層單元的深度、流速值、流向、東向流速、北向流速、垂向流速、誤差流速、波束1~波束4的反向散射、好的百分數(shù)、流量共13個數(shù)據(jù)。   我們通常利用垂線

9、點附近的30組數(shù)據(jù)計算出在垂線點各對應(yīng)水深的流速以及測流時取得的斷面數(shù)據(jù),將其帶入傳統(tǒng)的計算表格中求取斷面的最終流量,并將其作為最終的提交成果。   上表中DM1為上游斷面,DM4為下游斷面,DM2與DM2-1,以及DM3同DM3-1,分別為中間兩個河心洲的分汊斷面。測驗總共歷時2小時,臨時水尺水位變化小于0.1米,所以可以認為測驗過程中測區(qū)流量沒有變化。測驗結(jié)果可知測流斷面的流量互差比值均小于5%。   通過此次測驗可以發(fā)現(xiàn),ADCP系統(tǒng)在工作中具有很高的工作效率,四五百米的測流斷面兩次往返,四個測回總歷時不到30分鐘。測得的結(jié)果也有較強的可靠性,測區(qū)中上下斷面流量以及與河流分汊流量的和

10、值,其互差皆在5%的范圍內(nèi)。   4 總結(jié)   ADCP作為一種自動化,數(shù)字化的測流手段,廣泛的應(yīng)用于水文測驗當中。憑借其系統(tǒng)的高效,安全,先進可靠的優(yōu)點,有利的保證了長江上游流量測驗工作,提高了工作效率,?s短的了工作時間,降低了在險灘急流環(huán)境中的風險,有效提高了長江上游航道建設(shè)工作的進展。   根據(jù)ADCP原理還可利用測得位置及回波強度等斷面數(shù)據(jù),反算水體含沙量等方面還有進一步的拓展空間。對于如何提高ADCP的應(yīng)用效率,降低盲區(qū),提高成果精度,實現(xiàn)成果數(shù)據(jù)后處理的自動化等方面,還是以后應(yīng)用研究的關(guān)鍵。相信隨著科技的進步,ADCP 在以后的水文工作中能夠向著更高效,簡便,智能化,信息化的方向進一步提高。   參考文獻:   [1]黃河寧博士,ADCP河流流量測驗原理和方法,美國亞迪儀器公司 (RD Instruments) 2003   [2]杜光坤,走航式ADCP在瀾滄江流量測驗中的應(yīng)用,氣象水文海洋儀器,2006   [3]馮建軍,ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方法,港工技術(shù),2007

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