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。