浅析ADCP在小湾水文站的测流盲区问题

1、浅析adcp在小湾水文站的测流盲区问题 摘要：本文主要介绍了adcp测流盲区问题的成因和计算方法，并结合adcp在小湾水文站的测流实例，对adcp在实际流量测验过程中盲区问题的计算进行浅析。 关键词：adcp、小湾水文站、测流盲区 中图分类号：p336文献标识码： a 文章编号： 1引言 adcp，是一种利用声学多普勒原理进行流量测验的一种仪器。用adcp进行河流流量测量是近十年才发展和应用的新的流量测量方法。流量测验是水文工作的主要任务之一，传统的流量测验手段(如常用的旋桨式流速仪法)由于其历时长、自动化程度低，越来越不能满足水文事业和经济社会发展的需要。对回水河段以及日益增多的受人类活动影

2、响的水文测站进行流量测验，使用传统的测验手段是难以实现的。adcp 利用声学多普勒原理进行流速、流量测验，具有历时短、采集数据量大、不扰动流场等诸多优点，可以极大程度地减小劳动强度、增大工作效率、提高现代化水平，成为流量测验发展的一种新手段。但是，adcp也存在着一些弊端，例如测流盲区，使adcp受限于一些特殊的测量断面，本文将结合实例，浅析adcp在实际测量中的盲区问题。 2 adcp的测流原理、盲区的概念及计算公式 2.1 adcp的测流原理 adcp流量测量原理与传统的人工船测，桥测，缆道测量和涉水测量的基本原理是一样的，都是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线处测量水深并测量多点的流速

3、从而得到垂线平均流速。只是adcp所测的垂线可以很多，每条垂线上的测点也很多。adcp是通过接收和处理河底反射的信号来确定船体的绝对速度和实测断面处的平均水深，并通过接收和处理断面水体中的颗粒物反射回来的信号来确定水流相对于adcp的速度，从而得出水流的绝对速度。 adcp盲区的概念及计算公式 2.2.1 盲区的概念及分布情况 盲区是指adcp无法测到数据的区域，也可称为非实测区。一个测流断面的盲区分为四个部分：顶部盲区、底部盲区和左右岸的两个边部盲区。如图1所示：（图中的表层、底层、岸边区分别代表顶部盲区、底部盲区和边部盲区） 图1：adcp实测区、盲区示意图 2.2.2 顶部盲区计算公式

4、adcp的顶部盲区由换能器入水深度、滞后距离组成和仪器盲区组成。滞后距离是由于不断发射的脉冲之间有一定的距离，其大小相当于深度单元尺寸的一半。adcp换能器存在一定的范围。在该范围内，adcp不能提供有效测量数据。adcp的换能器既是声发射器也是声接收器，两者交替进行工作。当压电陶瓷片受交流电激励产生振动发射声波后，压电陶瓷片会产生余震。要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接收回波信号，余震衰减需要一定时间。这个时间乘以声速即为adcp的盲区，声波频率越高，仪器盲区就越小。计算公式如下： d顶d换能器d盲是由于不断发射的脉冲与脉冲之间 式中：d顶adcp顶部盲区厚度（m） d换能器换能器入水

5、深度（m） dc深度单元尺寸（m）（即为滞后距离） d盲仪器盲区（m）是 2.2.3 底部盲区计算公式 adcp河流流量测量时，靠近河底的水层受到旁瓣的影响，称为旁瓣影响区，在该区内，流速测量数据无效。底部盲区通常为旁瓣区的厚度。旁瓣影响区的厚度与adcp声速与仪器轴线的夹角有关。以下为底部盲区的计算公式： d底h（1-cos） 或 d底dc 式中：d底底部盲区厚度（m） h水深（m） adcp声束角（） 底部盲区取、式中较大者。 （4）边部盲区计算公式 边部盲区主要是由于换能器不能靠近岸边，导致仪器无法测量引起的。两岸盲区的尺寸一般等于开始实测时船到岸的距离，即: b边部l岸 式中：b边部边

6、部盲区的宽度（m） l岸开始实测时船到岸的水平距离（m） 3 分析小湾站实测资料 3.1 小湾水文站概况 小湾水文站位于云南省南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段与黑惠江交汇处下游2.5km处，流域面积11.33万km2，多年平均流量1210m3/s，年径流量382亿m3。该站于2009年7月开始采用adcp进行流量测验，仪器为“骏马”系列 “瑞江”牌adcp（1200hz）。测流时一般设置为标准工作模式，主要技术指标见表1。 表1 小湾水文站测流时主要技术指标 在小湾站2009年8月3日的一次流量测验中，左岸距离为3.0m，右岸距离为2.0m，换能器入水深度为0.2m，采用标准工作模式，则顶部

7、盲区厚度为：d顶0.2+0.25/2+00.325（m） 边部盲区宽度b边（左）3.0m，b边（右）2.0m 因adcp测流数据号较多，故水深采用算术平均值。本次流量测验总过水面积为981 m2，水面宽为137m，则平均水深为：981/1377.2m。底部盲区厚度d底7.2(1-cos25)0.67m。 3.2 盲区面积 根据以上数据，可计算出各盲区的面积及所占比例，统计结果见表2。由表2可知，小湾站2009年8月3日的adcp流量测验中，顶部盲区面积为44.5 m2，占总过水面积的4.5%；底部盲区面积为91.8m2，占总面积的9.4%；左右岸的边部盲区面积分别为5.89 m2和2.38 m

8、2（此面积为adcp测流软件计算得出），占总面积的0.8%。本次测流的盲区主要由顶部和底部组成，两区域总面积为136 m2，占盲区总面积的93.8%。 表22009年8月3日小湾水文站adcp测流盲区分析表 为能更深入地说明盲区面积比例关系，现将几次adcp实测资料通过以上方法作分析。表3为小湾站2009年7月30日的两次adcp流量测验资料。 表32009年7月30日小湾水文站adcp测流盲区分析表 其中：第一次：d顶0.2+0.25/20.325（m）；b边（左）3.0m，b边（右）2.0m；水面宽为138m，则平均水深h为：950/1386.9m。底部盲区厚度d底6.9(1-cos25)

9、0.65m。第二次：d顶0.2+0.25/20.325（m）；b边（左）3.0m，b边（右）2.0m；水面宽为135m，则平均水深h为：937/1356.9m。底部盲区厚度d底6.9(1-cos25)0.65m。 第一次顶部和底部两区域总面积为134m2，占盲区总面积的93.7%；第二次顶部和底部两区域总面积为132m2，占盲区总面积的93.6%。 4 流量测量精度与盲区面积的关系 4.1流量测验精度比例 在小湾站2009年7月30日及8月3日的adcp流量测验中，得到以下流量数据，见表4。 表4小湾水文站2009年7月30日、8月3日adcp流量测验精度比例表 4.2 流量测量精度与盲区面积

10、的关系 结合表2表4可知，在几次流量测验中，adcp的盲区比例为14.8%15.1%，非实测流量占总流量的17.3%17.6%，两者在比例上接近，而测流的盲区主要由顶部和底部盲区组成，占盲区总面积的90%以上。由于本站所使用的是1200hz的零盲区adcp，故顶部盲区所占过水面积的比例要小于上层非实测流量所占总流量的比例，这与表层的流速较大及流量推求方法也有关系。通常水体的表面流速都要大于实测区域的平均流速，且岸边的流速及底部盲区的流速也要比顶部盲区的流速小，这就造成了顶部盲区所占总流量的比例较大。 由此可以看出，在实际的流量测验中，非实测流量的比例与盲区的面积比例是有密切关系的。盲区所占过水

11、面积的比例越大，非实测流量的比例也就越大。而非实测流量比例的增大，就导致了实测流量占总流量比例的减少。实测流量占总流量比例的多少，正是恒定一份adcp流量测验精度是否达到标准的重要因素之一。通过以上实例分析，该型adcp的盲区计算采用上述方法是较为可行的。 5.结语 根据走航式adcp在小湾水文站实测盲区的计算方法总结出： （1）adcp的测流盲区比例与非实测流量占总流量的比例，两者比较接近； （2）测流的盲区主要由顶部和底部盲区组成，约占盲区总面积的90%左右； （3）adcp测流在大河干流站上测流盲区在总面积中所占的比例不大，即非实测流量占总流量的比例也较小。但在小河站及区域代表站中存在一定的局限性。可通过对盲区问题的分析探讨，合理的参数调整，以提高测验精度，缩短测验时间，提高工作效率； （4）为了更深入地了解adcp的物理性能和工作性能，有待分析研究不同的水体、测验断面实测区和非实测区的关系，依此提出更为