ADCP与转子式流速仪在潮汐河段脉动性分析比较.docx

1、第3期水利水文自动化N0.32005年9月AutomationinWaterResourcesandHydrologySep,2005ADCP与转子式流速仪在潮汐河段脉动性分析比较高健，张志林（长江委水文局长江口水文水资源勘测局，江苏太仓215431）摘要：为研究ADCP所测瞬时液速与LS25-1A型样子式流速仪以定点所测时段流速之间的关系，探讨瞬时流速的脉动规律，更好的为工程服务，2001年9月长江口水丈水资源毒测局在苏通长江公珞大桥桥址附近进.行了ADCP与LS25-1A型流速仪的多种比测，得出:ADCP所测肺动流速、脉动强度变化属随机姓质，为正态分布；在水面和0.2H,脉动强度较小，河底

2、脉动强度较大；潮涨息时段脉动强度大于潮落急时段等姑论。关键词：ADCP;料子式流速仪；潮汐河段；瞬时流速；脉动性中图分类号：TB55;P335文献标识码：A文章编号：1672-3279（2005）03-0016-00050前言建设中的苏通长江公路大桥位于江苏省苏州（常熟）市和南通市之间，上游距南京、江阴大桥分别为280km和82km,下距长江入海口约100km,所处水域位于长江下游澄通河段的徐六泾附近，桥位江面宽5.7km,主槽居中偏靠南岸，桥位段处潮汐河段，水流往复，流态复杂，而体积庞大的桥墩也会改变桥墩附近的水流结构。为利用ADCP仪器对流场变化进行动态监测，施工前在该水域对ADCP进行多

3、方面比测是必要的。1 比测情况介绍1.1LS25-1A型直读式流速流向仪定点测流采用LS25-1A直读式流速仪。为适应脉动流速试验的需要，对仪器的测流信息采集系统作了技术改进，经改进后的流速仪计时精度为lm$,完全满足流速仪短历时流速测量的精度要求。主要原理是：将流速仪探头测速时发出的桨叶转数脉冲信号，直接引到笔记本电脑的通讯端口，由计算机记录测速过程中桨叶的转数及所历实际时间。计算机应用程序由计时和计算显示两部分组成°计时部分由通讯端口的中断程序控制，每当一个脉冲信号到来时，程序自动判别测流记时累计值是否大于预置值，当累计值大于预置值时，立即记录下脉冲数（即桨叶转数）和实际历时，并

4、清空脉冲和时间数值进入下一个循环，一个循环时间，设定为5s,即5s左右采集一次流速数据，如此往复。该项技术革新为本次瞬时与时段流速对比测试的信息采集创造了必要的基础条件，是潮汐河段进行流速测量的一项创新技术。1.2ADCPADCP是利用声学多普勒效应原理来进行流速测最的，ADCP在走航过程中连续向水体及河底发射声脉冲，测出水流及河底相对于ADCP的速度，两者矢量差即为水流相对于大地的速度。本次测验采用美国RDI仪器公司生产的直读式ADCP三台，其中两台为600kHzADCP,在南主墩（NZD）处，分别为定点和动船作业；在A3定点垂线处采用的ADCP频率为300kHz。1.3同步比测安排本次对比

5、测试共出动测量船三艘，其中两艘分别定位于大桥轴线断面上的南主墩（NZD）垂线和A3垂线，在每艘船上分别布置4台LS25-1A型流速流向仪和一台定点ADCP,安装位置见图1。其中1#仪器定位于水面,2#仪器定位于河底，3#仪器定位于相对水深0.2H处，以上均称为固定垂线的定点测最（简称定点测量）。4#仪器在0.4、0.6、0.8H往复巡测，称之为固定垂线的动点测景（简称动点测量）。1#仪器与2#仪器的距离约为8m,2#仪器与4#仪器距离约为4m。第三艘测量船用于ADCP走图1固定垂线测船仪器配置示意图17高健等:ADCP与转子式流速仪在潮汐河段昧动性分析比较NZD与A3动点（4#仪器）均采用LS

6、25-1A型流速仪按常规测量方法测员，测速时段为50s,每10min于0.4、0.6、0.8H水深处，往返各测量一次流速流向。动船法采用频率为600kHz的直读式ADCP.走航宽度2km,每隔10min左右测一个往返。2 流速脉动分析2.1时均流速计算方法与脉动分析基本计算公式2.1.1时均流速计算方法在A3和NZD垂线各测点的定点比测中，使用LS25-1A型流速流向仪或ADCP进行连续的流速测量，得到的是一系列、连续的5s瞬时流速值。对于LS25-1A型流速仪50s时均流速计算采用的计算方法是:在每个瞬时流速相应时间前后各取25s左右时间（前后共50s时间），统计在该50s时段内的流速仪桨叶

7、转数，由此计算得到相应50s时均流速；对于ADCP是在每个瞬时流速相应时间前后取10个瞬时流速加以平均得到。10、30s时均流速计算方法同50s计算方法°2.1.2脉动流速与脉动强度的计算公式脉动流速计算公式：u=u+u式中：反一平均流速；“一瞬时流速；/脉动流速。脉动强度计算公式：、.一必-磕y_u2式中：'一相应于平均流速为U的流速段中各组瞬时流速的最大值;J一相应于平均流速为U的流速段中各组瞬时流速的最小值。2.2流速脉动分析2.2.1LS25-1A型实测流速脉动分析LS25-1A型流速仪脉动流速特征值统计见表1,实测5s瞬时流速与50s时均流速过程比较见图3,图3中实

8、线曲线为5s流速过程线，虚线曲线为50s流速过程线；实测脉动流速频率曲线见图4,实测脉动强度频率曲线见图5。25G1251.201051nuLAumnuxiwwuimn心“nm瑚皿nmnu皿nnmI幻&19«：I7：2I>111.218：住22«：20：231：21：!4«；22.»图3LS25型流速仪实测5s«w流速与50s时均流速过程比较从表1、图3、4、5可以看出LS25-1A型流速实测脉动流速有如下规律：脉动流速、脉动强度变化属随机性质，为正态分布，脉动流速的平均变化范围为±O.36ni/s,均方表1LS25型流

9、速仪脉动流速特征值统计表（9月18日）垂线测验测点测验50s时段流速脉动流速/（mS1）昧动流速相对值（ur-v/uJ%平均脉动位时位置情均值/平均变化变化均方平变化变化均方强度置段况(m.s'1)范围幅度差均范围幅度差水面正常2.150.000.130.160.290.040.006.257.1213.371.590.113落0.2H正常2.150.000.180.180.360.040.008.087.8415.921.690.115急水底i正常1.420.000.300.280.580.08-0.0223.0518.3341.385.49,0.365A,水底2正常1.930.00

10、0.220.260.480.080.0011.6013.4125.014.00.0.252水面正常1.470.000.260.340.600.050.0212.5717.1029.673.290.223涨0.2H正常1.410.000.180.240.420.050.0110.5915.8926.483.530.242急水底正常0.820.000.450.380.830.090.0264.1078.31142.4011.800.684落水面正常1.840.000.260.250.510.050.0416.4915.9032.392.720.176急0.2H正常1.790.000.630.591

11、.220.150.0035.7630.3566.117.750.476N水底正常0.540.010550.591.140.150.97114.2-86.98201.1030.232.051Z涨水面正常1.430.000.640.451.090.060.0232.0726.1558.223.920.238D0.2H正常1.360.000.330.340.670.070.0018.2519.6737.924.330.280水底|误差大0.790.000.750.561.310.150.01146.488.40234.8025.301.783水底3误差大0.690.010.220.190.410.0

12、614.0341.769.02410.7052.953.350图4LS25型流速仪实测脉动流速频率曲线图5LS25型流速仪实测脉动强度频率曲线差为0.080；各测次脉动流速平均值为0,瞬时流速对相应的50s时均流速无系统偏高;在水面和0.2水深处脉动强度较小，在河底脉动强度较大；(4) 涨急时段脉动强度大于落急时段；(5) 不同地点的脉动强度是不一样的，如本次测验南主墩垂线(NZD)脉动强度大于A3垂线。2.2.2ADCP实测流速脉动分析按ADCP实测5s瞬时流速过程资料，分别计算出各测点10、30、50s时均流速。A3垂线ADCP不同历时流速脉动统计见表2,ADCP实测脉动流速频率曲线见图6

13、,ADCP实测脉动强度频率曲线见图7。关于ADCP实测流速的脉动规律说明如下：(1) ADCP实测流速的脉动规律与LS25-1A型流速仪实测流速的脉动规律是相一致的。说明流速脉动规律为水流本身条件所决定，并不受测速仪器类型的影响。由不同仪器实测脉动流速均方差比较表可看到，LS25-1A型流速仪与ADCP实测脉动流速变化范围与脉动流速均方差是相接近的，均方差的平均值分别为0.086.0.089,说明两仪器实测成果的精密度是相同的。(2) 随着测速时段的加长，脉动流速变幅与均方差随之减小，相关系数随之加大°圈6ADCP实测脉动流速频率曲线图7ADCP实测脉动强度频率曲线高健等:ADCP与

14、转子式流速仪在潮汐河段脉动性分析比较测相5s.10s30s5s脉动强度脸对豚动流速(0-*)脉动流速脉动流速脉动均方时水流速均变化变化间深值范围幅度均方相关流速均变化变化均方相关差系数值范围幅度差系数流速均变化变化值范围幅度均方相关强度差差系数0.0U2.482.480.000.270.220.490.060.982.480.000.260.180.440.050.992.4800.070.090.160.021.000.180.06落0.2H2.392.390.000.350.610.960.070.972.390.000.22-0.280.500.050.982.3900.100.110.

15、210.021.000.190.04急0.4H2.322.320.000.470.510.980.070.962.320.000.210.270.480.050.982.3200.110.100.210.021.00期0.6H2.232.230.000.310.440.750.070.962.230.000.190.240.430.050.972.2300.100.100.200.021.00平0.8111.901.890.010.510.591.100.100.871.890.010.510.250.760.070.921.9000.130.180.310.030.98均1.0H1.451.

16、450.000.400.520.920.080.861.450.000.300.230.530.060.911.4500.110.100.210.030.980.240.08H.,2.162.160.000320.460.780.040.982.160.000.17-0.220390.040.992.1600.070.090.160.021.000.0H1.601.600.000.420.340.760.080.991.600.000.420.280.700.060.991.6000.120.180.300.031.000.830.49涨0.2H1.511.510.000.420.370.79

17、0.090.991.510.000.280.260.540.070.991.5100.120.120.240.031.000.860.54急0.4H1.381.380.000.67-0.641.310.130.971.380.000.420.430.850.100.9813800.150.150.300.041.00期0.6H1.301.300.000.500.69L190.130.951.300.000.380.390.770.100.971.3000.200.160.360.050.99平0.8H1.161.160.000.420.500.920.120.941.160.000.390.4

18、80.870.100.961.1600.160.190.350.040.99均1.0H0.900.900.000.310.410.720.090.950.900.000.310.400.710.070.960.9000.130.170.300.030.990.620.441.311.310.000.270.340.610.070.991.310.000.230.310.540.060.991.310O.i10.100.210.031.00表2A3垂线ADCP不同历时流速脉动统计哀(9月18日)m/s研究结论同历时脉动流速特征统计见表4,脉动流速均方差不同仪器实测脉动流速均方差比较见表3,不与相

19、应测速历时相关图见图8,相关系数与相应脉表3不同仪器实测脉动流速均方差比较A3NZD时段变化范围均值变化范围均值LS25ADCPLS25ADCPLS25ADCPLS25ADCP卬0.04-0.080.06-0.080.060.070.05-0.150.06-0.150.120.10Zjl0.05-4).090.08-0.090.060.080.06-0.150.08-0.100.120.09Lj20.03-0.090.06-0.090.050.070.05-0.110.08-0.100.090.09Zj20.06-0.110.09-0.130.070.100.06-0.140.09-0.140

20、.120.11表4不同历时豚动流速特征统计垂线号时期变幅/(m.8-*)均方差相关系数5s10s30s5sIOs30s5s10$30sLjl0.850.500.210.070.050.020.940.960.99Zjl0.900.710.290.100.080.040.970.981.00A3Lj20.570.420.170.080.050.020.910.950.99Zj21.060.820.330.130.100.040.920.940.99平均0.850.610.250.090.070.030.910.960.99Ljl1.070.710.300.110.080.040.850.900.

21、98Zjl1.020.800.340.120.090.040.960.981.00NZDLj20.940.700.320.110.080.040.860.920.98Zj21.140.900.380.130.100.040.960.981.00平均1.040.770.330.120.090.040.910.940.9905101520253035测速动流速测速历时相关图见图9,测速历时与脉动流速变幅相关图见图10。从表3、4和图8、9中可以分析出以下结论：(1)瞬时流速对相应的50s时均流速无系统偏离，说明本次使用的测验仪器性能稳定,LS25-1A型流速仪与ADCP实测成果精密度相同。脉动流速

22、、脉动强度变化属随机性质，为正态分布。(3)在水面和0.2H,脉动强度较小，河底脉动强度较大；涨急时段脉动强度大于落急时段；脉动流图8脉动流速均方差与相应测速历时相关图速、脉动强度有随流速增大而减小的趋势C(4)随着测速时段的加长，脉动流速变幅与均方差随之减小，相关系数随之加大。1.021.000.980.96().940.920.900.880.K60.K4图9相关系敷与相应脉动流速历时相关图图10测速历时与脉动流速变幅相关图ComparativeAnalysisonPulsationPropertiesofRotatingElementCurrentMetersandADCPinTidalReachesFlowMeasurementGAOJian,ZHANGZhi-lin(EstuaryBureauofHydrologyandwaterresourcessurveying,BureauofHydrology,YangtzeRiverWaterResourcesCommittee,Taican