走航式ADCP在外业测量中的应用
更新日期:2013-08-04     来源:期刊导航网   作者:肖合来提•阿布列肯木  浏览次数:387
核心提示:声学多普勒流速剖面仪(简称ADCP)是当今最为先进的在线流量测验仪器之一,由于其测验精度高、数据信息详细、完整,而且在外业测量中方便、快捷等特点,在水利工程测量及水文测验中得到广泛使用,测验技术也日趋成熟。但ADCP在实际使用中受到一些客观条件的限制,特别是断面形态及水流情势的限制,影响了使用效果,本文就ADCP在水利工程测量中遇到的一些技术问题及处理方法提出来与业内人士进行探讨。

1  概述

近年来,随着ADCP在国内的广泛使用,应用面的不断拓展,ADCP的应用技术也逐渐成熟。由于该仪器为美国生产,国内在近几年中才逐步使用,但关于ADCP原理和误差理论方面的论述居多,而实际应用的文献较少,还没一套现行的规范作指导和约束,在一些问题具体的问题处理上还需广泛交流,本文仅叙述走航式宽带ADCP(频率为1200KHZ)在水利工程测量应用中遇到的实际问题及处理方法,与ADCP的使用者进行探讨。

2  ADCP的工作原理

ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面及河床剖面的仪器,它利用声学原理,由ADCP向水体发射一个(一对或一组)声脉冲,这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波,并记录发射波与反射波之间的频率改变,这个频率改变即称多普勒频移,可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时,还向河底发射底跟踪声脉冲,测出ADCP安装平台(测船)的运动速度以及水深,然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。再根据已设置的测深单元数目,测出不同单元的测点流速,先进行垂线流速积分,再沿横断面积分,即可得到任意位置的垂线平均流速。再由其内部GPS测量出ADCP移动的距离,即可计算出任意过水断面的流量。与机械式电磁式流速仪不同,ADCP是一种遥测仪器,即在岸上通过计算机对专用软件进行设置,并使ADCP在河道断面中行进,即可测量出断面不同位置的河底形态及运行部分的流量,到终点位置就测量出完整的断面数据及总流量,见公式(1)。

        1

     式中: Qt――总流量,m3/ s

Vf――平均流速向量,m/s

n――ds全部测点法线方向的单位向量

ds――微元面积。m2

从公式(1)可以看出,ADCP具有连续采集相对于河床底部的水流流速剖面分布数据和ADCP运动速度(相对于船速)数据的独特能力,使它成为一种先进的集成测流方法。

3  在水利工程测量中的应用

在水利工程测量中,除要测量工程点岸上区域的地形图外,还要测量河道若干断面的河床形态及流量,传统的测量方法采用人工渡河或乘船按预先布置的测深、测速垂线,使用测深杆及流速仪在每条垂线测量流速和水深,最后计算出断面流量及断面河底高程数据,由于在工程测量点往往没有专用的渡河设备,安全性较低,测量数据精度不高,往往达不到工程设计要求,而ADCP确弥补了传统测量方法的不足,并能快捷、方便的测量出工程设计所需的数据,因而得到广泛使用,下面将分述走航式ADCP在不同工程断面形态中的应用。

1)“U”形河床

这种河床的形态是所有断面中最简单的断面形式,测量比较容易,且流量和水深数据精度都比较高,因此,在使用ADCP进行测量时,应根据水深情况合理选择工作模式和测深、测速单元,就可测得精度比较高的数据,具体如下:

在断面水深均大于1.0m的河床中,工作模式选择WM1,单元数设置为26cm,根据流速情况,控制ADCP在断面的运行速度,一般要小于水流平均速度,这样测得的数据精度就比较高,见下图1我们在某河流一号断面实测的流量过程图。

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