多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析

多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析摘要:随着时代的发展,水文仪器已进入高科技时代,ADCP即多普勒流速剖面仪是目前测量江河流量的最高端产品,但任何仪器设备都不是万能的,对于操作者来说将提出更高的要求。本文通过与流速仪法对比分析,总结出了利用两种不同的方法所存在的差异,对于同行业使用ADCP测流具有一定的参考价值。

关键词:ADCP 流速仪对比分析

1 情况简介

松花江(六)站是松花江控制站,也是国家重要水文站。该站位于吉林省德惠市松花江镇,设立于1923年1月,最初站名为松花江铁桥;1933年11月更改站名为松花江; 1966年6月经过几次迁移,最后为目前的松花江(六)水文站,集水面积51500km2。畅流期采用牵船索人工摆舵船上测流。

该站ADCP于2008年就已经配置到位,近几年来一直在进行对比及操作训练,目前该站人员已经能够对ADCP进行熟练操作和使用,对比数据经计算分析合理可靠,具备投入使用的条件。

ADCP是利用多普勒效应原理进行流速测量。ADCP因其原理的优越性,突破传统机械转动为基础的传感流速仪,用声波换能器作传感器,换能器发射声脉冲波,声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗

粒、浮游生物等反散射体反散射,由换能器接收信号,经测定多普勒频移而测算出流速。ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。目前被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。

与传统的人工船测,桥测,缆道测量,和涉水测量的基本原理一样: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从而得到垂线平均流速,但ADCP所测的垂线可以很多,每条垂线上的测点也很多。

2 对比分析的目的

通过对比ADCP测流与常规流速仪测流数据,分析之间存在差异的原因,可以尽量减少由于操作不当产生的误差,以便ADCP在本站更好地投入应用。同时还可以解决本站由于偏角测量引起的流量改正等一系列问题。

3 对比时间及方式

本次对比共分为冰期和畅流期两个阶段,冰期采用定点测量的方式,畅流期采取走航的方式。2008年汛期ADCP在松花江站进行了试运行,当年年末针对冰期松花江流量上下游不合理进行了定点测量,同

流速仪进行了对比分析。2009年畅流期,又进行了5次对比分析,测时水位分别为:90.06m、89.88m、89.36m、89.84m、89.40m。流速仪测流采用30公斤铅鱼悬吊流速仪,测深采用铅鱼悬索测深,起点距定位采用读距索。

4 仪器类型

松花江站配备的ADCP为美国RAI公司生产骏马系列1200khz 四波速声学多普勒流速剖面仪,流速仪选用重庆产LS68型流速仪,仪器公式为V=0.6713n+0.0035。

5 测流对比分析

5.1 冰期对比分析结果

2009年1月14日和2月28日分别进行了2次冰期ADCP对比分析,见表5.1,通过对比分析,ADCP四次测流结果算术平均为350m3/s,单次相对偏差均小于5%,测流结果符合要求。流速仪第1次在不加偏角改正的情况下2次流量平均为326m3/s,进行偏角改正后平均流量为261m3/s,由以上两组数据说明,冰期测流在不加偏角校正的情况下与ADCP测流结果偏差较小,相对偏差为4.17%,而通过偏角修正,相对偏差较大达到34.2%。由此可见,冰期测验使用流速仪在数据处理时不加

偏角修正数据较为合理。

5.2 畅流期对比分析结果

2009年畅流期间共计对比分析了5次,分别为全年流量测次的17次、19次、22次、33次和34次,ADCP对比分析10次。第一次流速仪测流结果为531m3/s(采用ADCP测流时水位上涨了0.02m,通过水位流量关系线查得90.08m时流量为540m3/s),ADCP测流2次平均为562m3/s,相对偏差为4.07%;第二次流速仪测流结果为465m3/s,ADCP 测流2次平均为459m3/s,相对偏差为3.76%;第三次流速仪测流结果为287m3/s,ADCP测流为290m3/s(结果有一次偏差较大,未做2次平均),相对偏差为1.05%;第四次流速仪测流结果为443m3/s,ADCP测流2次平均为452m3/s,相对偏差为 1.92%;第五次流速仪测流结果为296m3/s,ADCP测流2次平均为306m3/s,相对偏差为3.38%。

5.3 畅流期对比相关性分析

通过对以上5次流量对比所得数据分析,ADCP与流速仪测流相关性较好,相关系数为1.0081。5次流量相对偏差均小于5%,平均偏差为2.84%。

5.4 误差分析

从对比数据结果分析,采用ADCP测流较流速仪略有偏大,其主要原因是由于受到流速仪测流布设垂线的局限性,不可避免的会产生断

面切割现象,使得所测的面积偏小,而采用走航式ADCP测流则避免了面积所产生的误差,因此ADCP测流较流速仪测流结果偏大是合理的。

6 结语

通过冰期及畅流期流量对比分析,冰期在不加偏角改正的情况下,流量相差较小,相对偏差为4.17%,畅流期平均相对偏差为2.84%,单次最大偏差均在5%以内。因此通过对比分析,ADCP与流速仪测流偏差较小,二者之间误差均小于10％,符合水文测验规范的要求。ADCP投入使用的条件已经成熟。但在使用的过程中,应该注意以下问题:

(1)应熟练掌握ADCP参数配置以及换能器吃水深、岸边距等变量设置,否则对流量影响较大。

(2)作业船航速是影响流量测量精度的重要因素,且可以由测量者控制。

航速越低,流量测量误差越小,一般航速可以控制在0.5～1.0m/s 之间。河面越宽、河流流速越大、系统频率越高、系统发射速率越快,其流量的测量误差就越小。

(3)除此之外,由于采用ADCP测流无法布设测沙垂线,因此建议悬移质输沙率测验采用全断面混合法。

(4)ADCP在冰期由于定点测流无法使用无线方式,操作较为不便,因此建议仍然使用流速仪测流,且计算时不加偏角改正。

(5)在测流前,进行接线安装时,一定要严格按照规定进行连接,特别是蓄电池的正负极不要接错,否则将会烧毁有关电器元件。

(6)每次插ADCP上的插头时,要抹一点硅脂,硅脂不能太多,也不能太少,插好ADCP上的插头后,要锁好锁圈,而在拔下插头前,一定要先松开锁圈。

(7)拆装时,一定要给换能器戴好保护帽,换能器也不能承受强烈震动和敲击,换能器表面要注意保护,不能划伤。