1、水平式 ADCP 在水文应用中的技术探讨潘仁红(广西水文水资源局,广西南宁 530023)摘要:水平式声学多普勒流速剖面仪(H-ADCP)在应用过程中必须要解决一些特定的技术问题。着重对 H-ADCP 在水文应用过程中的基本技术问题,如:仪器的安装,流速关系的率定,水位过程 Zt 的确定和应用,相应断面面积的确定等,做了一些分析,并提出了几个关键性问题的探讨。通过分析探讨,认为 ADCP 的引进和应用,是整个水利系统现代化建设进程的发展趋势之一。关键词:H-ADCP; 应用;技术;探讨中图分类号:TP39;TV877 文献标识码:A文章编号:1672-3279(2005)04-0045-030
2、 前言ADCP 是当前在我国逐渐兴起的一种新型测流仪器,具有操作方便、快速高效、稳定可靠等优点 ADCP 按测流方式可以分为走航式和水平式两种类型,其中走航式 ADCP 直接测出流量,而水平式 ADCP(H-ADCP)则是通过测量代表流层的流速,进而推算得到断面流量。比较这两种类型仪器,H-ADCP 更为简便,易于操作,而且可以在线实时监测河流断面的流速流量过程。1 H-ADCP 的应用1.1 仪器的安装在 H-ADCP 使用的过程中,需要注意的技术环节很多,其中仪器的安装最为关键。H-ADCP 的安装位置一旦确定下来,将尽量保持不变,也就是固定地对同一个流层(或垂线)进行监测,以保证其流量系
3、列具有较好的一致性。H-ADCP 分为侧视式和仰视式两种,仰视式 ADCP一般安装于河床底部(通常位于代表性好的垂线上), 在天然河道中应用得很少,在此着重讨论的是侧视式测流仪。对于宽度较小的河流或渠道仪器主机安装在河岸或渠壁的基座上;对于宽河流或渠道,主机可以安装在河岸或渠壁上,也可以安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。安装高度方面,要根据具体情况而定,基本原则是:(1)使其大致位于历年平均水深的 60%处;(2)且处于历史最枯水位或需测水位以下一定的距离;(3)同时还要高于河底的淤积层,避免主机遭受掩埋。此外,在安装过程中应注意使两个声学传感器位于同一水平面上,同时要注意主机底面必须垂直,以保证
4、声束为水平发射。实际上,天然河道断面的实际情况非常复杂 H-ADCP 的初始安装位置并不容易确定,事先往往要进行大量的调查和分析。需要由水文监测站点提供一系列必需的基础资料,以提出真正适合测流断面的观测方案。这些基础资料主要有:(1)仪器安装断面的大断面图;(2)该站的历史最高水位和最低水位;(3)该站的最大流速和最大流量;(4)该站是潮汛河道,还是山溪性河流;(5)河道的通航,尤其是仪器安装所在岸边的通航情况; 等等。1.2 流速关系 v 断面=f(v 流层)的率定在满足仪器安装原则的情况下,还应进行代表流层的比测分析工作,涉及到 v 流层和 v 断面两个重要流速的关系率定问题。通常,v 断
5、面的测定需要应用断面流量测验仪器(转子式流速仪或走航式 ADC等)来进行。在比测的具体操作上,要求 H-ADCP 与断面流量测验仪器同时测量,流层流速 v 流层由 H-ADCP 直接测出,而断面平均流速v 断面则由转子式流速仪或走航式 ADCP 的测定流量 Q 测及相应过水断面面积 A,依据式(3) 求出:v 断面=Q 测/A (3)依照上述方法,分别测出不同水位级的 v 流层、v 断面点据系列,用于分析率定其关系方程。v 流层v 断面关系方程通常采用如下三种形式表达:v 断面=a v 流层+b Z+c (4)或v 断面=aln(v 流层)+b (5)或v 断面=a v 流层+b (6)式中:
6、v 断面断面平均流速,v 流层流层流速,Z 水位,a 、b、c待定系数。以上三个公式的确定,主要是根据 v 流层、v 断面系列,通过回归分析计算,率定出经验回归系数 a、b 或 a、b、 c。这三种公式在实践中都会运用得到,建议每种形式都进行尝试,从中选取最佳的拟合方程。1.3 水位过程 Zt 的确定和应用在流速关系方程确定下来后,就可以通过监测流层流速,实现对断面平均流速的变化过程测定。但这与流量过程 Qt 的求取尚有一段的距离,因为还需要确定与之相对应断面面积及其变化,才能通过式(2)来推算出流量值及其逐时变化过程。断面面积 A,通常是通过水位的监测来实现。在此,着重探讨水位观测成果与水平
7、式 ADCP 的流速监测成果如何衔接的问题,也就是如何实现水位、流速电算一体化的问题。生产厂家已充分考虑过这个问题,他们推出了一系列带水位探头的仪器,可以在测定流速的同时,实施水位观测,于是直接达到了水位、流速一体化的目的。但从技术角度上看,ADCP 水位观测与水文站本身的水位测量系统有重复建设之嫌,而且得到的两个水位系列时常会发生矛盾(比如在水中有悬浮物时,H-ADCP 的水位观测精度会受到影响等), 这时候就需要工作人员特别注意对这些数据进行比较分析,并及时修订其中不合理的部分。一些早期仪器产品并未带水位探头,只能根据水文站本身的水位观测值系列进行摘取或内插。在完成水位记录数据化和内插程序
8、的前提下,可以计算出对应于任意已知流速 v 流层的相应时刻水位值,这为断面流量的计算提供了条件。但如果水文站的水位观测方式属于比较原始的手工方式或半手工的机械式,上述计算方法的可操作性并不强。目前,各地水文局都积极地进行水情中心或预警预报系统的建设,这使得多要素一体化的目标不再是难题,只要 H-ADCP 与这些自动测报系统进行配套建设,在系统遥感装置中配置“水位” 、 “流速”等多个接口,则监测期内任何时刻的水位、流速值均可以在计算机中轻易摘取。1.4 相应断面面积的确定由于测验断面的河床长期处在一个变化的过程中,在选取多普勒测流断面位置时,宜尽量选用河床较为稳定的断面,这样可以保证ZA 关系
9、较长时间基本不变。如果所选用的断面河床变动明显,则必须经常进行大断面校测,这就意味着任何一条 ZA 关系线都是有时效性的,在实际工作中必须留意这一点。对于特定流速 v 流层的相应断面面积的确定,主要是由相应水位依据当时的 ZA 关系插算而得。在实现了水位系列、流速系列一体化的情况下,只要在计算程序中输入相应时段的 ZA 关系( 或A=f(Z),即可按照式(2)求出相应时刻的断面流量值。ZA 关系线( 或函数)的确定,理论上可由以下三种方法来进行计算(或率定):(1)函数率定法。先根据本时期的大断面测量成果,计算出不同水位的过水断面面积,再依据这些水位面积点据进行回归分析,率定其回归方程 A=f
10、(Z)。(2)ZA 关系线节点插算法。先根据本时期的大断面测量成果,计算出不同水位 Z 的过水断面面积 A,点绘 ZA 关系图,并从中找出不同水位级下具有代表性的各个节点,建立 ZA 关系线节点图,并输入到计算机软件中,往后任何水位的相应断面面积均由 ZA 关系线节点数据进行直线内插计算而得。(3)大断面面积计算程序法。直接根据本时期的大断面测量的成果数据,即起点距 L河底高程 H,并以 Z 为形式参数,编写大断面面积计算程序( 以函数格式编程),于是可以在任意时间就任何一个水位值 Z,由程序计算出相应的过水断面面积 A。实事上,以上三种方法都要经历同一个步骤,就是根据大断面测量的成果数据来计
11、算不同水位的断面面积,其中方法(3)最为直接,精度上也最有保证,且便于用户操作及大断面数据的更新,因而建议使用这种方法。1.5 几个关键性问题的探讨关于 H-ADCP 及其应用,有几个关键性的问题需要着重进行分析和探讨,主要是:(1)H-ADCP 与传统测流仪器相比 ,具有不扰动流场、测验历时短、操作简便、易于管理等特点不但可以直接测出河流断面流层的流速分布情况而且可以通过在线监测功能以及软件处理功能,掌握河流断面的流速、流量和流场的变化过程,因而十分适合在变动回水严重、河流条件复杂的水文站或工程施工中的临时监测点上进行流量测验。在流域梯级开发程度不断提高,各水文监测站受水电工程调度和变动回水
12、影响日趋严重的今天转子式流速仪已越来越难以胜任这种条件下的测验工作。ADCP 以其固有的优点,为我们解决这个问题提供了一种非常好的途径。(2)H-ADCP 测流系统可作为独立的流量计进行流速和流量的现场实时监测,也可以作为流量遥测站的核心部分,配以无线电发射机(电台或卫星终端) 、太阳能电源板或蓄电池,以及天线、馈线、和避雷器等设备,实现远程的流速、流量在线实时监测。此外,由于 H-ADCP 测流系统及其遥测系统的引进,配合各地水情中心或预警预报系统的建设使得流速、流量的实时监测数据的超远程传输成为可能,便于各有关部门更为及时地、多层面地了解水文情势,并利于数据的及时处理和分析,这对行业决策十
13、分有利。(3)作为一种现代化测量仪器,H-ADCP 有其优越性 ,但在应用过程中,也存在一些不完美的环节。主要体现在主机本身并不直接测量断面流量,而需要根据 v 断面=f(v 流层)、A=f(Z)等关系进行计算,这样,在购置仪器时往往要充分考虑到断面流量测验系统、测深仪等仪器设备的配套购置问题以及这些仪器适用情况等等。这说明,越简便越智能化的仪器,在推广应用中所需要关注的技术细节越复杂。2 结语目前,在我国 ADCP 还没有完全普及,处于起步时期。其中长江委水文局对这种仪器的应用走在全国最前沿,早在 1997 年 11 月 8 日,在举世瞩目的三峡工程实现大江截流过程中,长江委水文局就采用了走
14、航式 ADCP 和 H-ADCP 配合使用,对施工断面进行快速高效地流量、流速测量,为大江截流工程、导流明渠通航、二期围堰施工和调度决策等多方面工作提供实时实测资料和信息,取得了重大效益。H-ADCP 作为其中的一项重要仪器,能够及时地收集大量的有关龙口水流结构、水流特性的信息和数据。在大江截流期间,ADCP 共完成了流速分布 424 次、流量 267 次的连续性测验资料,这对于常规水文测验仪器而言,是无法实现的。可以说 ADCP 的引进和应用,对于水文的现代化和信息化而言,意义重大,也是整个水利系统现代化建设进程的发展趋势之一。参考文献1黄河宁 .ADCP 河流流量测量原理和方法R,2002
15、.2姚章民 .声学多普勒水流剖面仪在河流流量测量中的应用J.2002(6).Discussion on Application of H-ADCP in HydrologicyPAN Ren-hong(Guangxi Bureau of Hydrology and Water Resources,Nanning 530023,China)Abstract:Some technical problems have to be settled in the application of H-ADCP,which are discussedby this article,with the empha
16、sis on installation of instruments,calibration of velocity relations,determinationand utilization of Zt in water level process,and definition of cross section.At the same time,several key pointsare presented and discussed.At the end of the article,the author holds that the introduction and application ofADCP is a direction of water management modernization.Key words:H-ADCP;application;technology;discussion
