水平式ADCP在水文应用中的技术探讨

水平式ADCP在水文应用中的技术探讨

潘仁红

(广西水文水资源局,广西南宁530023)

摘要:水平式声学多普勒流速剖面仪(H-ADCP)在应用过程中必须要解决一些特定的技术问题。着重对H-ADCP在水文应用过程中的基本技术问题,如:仪器的安装,流速关系的率定,水位过程Z～t的确定和应用,相应断面面积的确定等,做了一些分析,并提出了几个关键性问题的探讨。通过分析探讨,认为ADCP的引进和应用,是整个水利系统现代化建设进程的发展趋势之一。

关键词:H-ADCP;应用;技术;探讨中图分类号:TP39;TV877文献标识码:A文章编号:1672-3279(2005)04-0045-03 0 前言

ADCP是当前在我国逐渐兴起的一种新型测流仪器,具有操作方便、快速高效、稳定可靠等优点ADCP按测流方式可以分为走航式和水平式两种类型,其中走航式ADCP直接测出流量,而水平式ADCP(H-ADCP)则是通过测量代表流层的流速,进而推算得到断面流量。比较这两种类型仪器,H-ADCP更为简便,易于操作,而且可以在线实时监测河流断面的流速流量过程。 1 H-ADCP的应用 1.1仪器的安装

在H-ADCP使用的过程中,需要注意的技术环节很多,其中仪器的安

装最为关键。H-ADCP的安装位置一旦确定下来,将尽量保持不变,也就是固定地对同一个流层(或垂线)进行监测,以保证其流量系列具有较好的一致性。H-ADCP分为侧视式和仰视式两种,仰视式ADCP一般安装于河床底部(通常位于代表性好的垂线上),在天然河道中应用得很少,在此着重讨论的是侧视式测流仪。对于宽度较小的河流或渠道仪器主机安装在河岸或渠壁的基座上;对于宽河流或渠道,主机可以安装在河岸或渠壁上,也可以安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。安装高度方面,要根据具体情况而定,基本原则是:

(1)使其大致位于历年平均水深的60%处;

(2)且处于历史最枯水位或需测水位以下一定的距离; (3)同时还要高于河底的淤积层,避免主机遭受掩埋。

此外,在安装过程中应注意使两个声学传感器位于同一水平面上,同时要注意主机底面必须垂直,以保证声束为水平发射。

实际上,天然河道断面的实际情况非常复杂H-ADCP的初始安装位置并不容易确定,事先往往要进行大量的调查和分析。需要由水文监测站点提供一系列必需的基础资料,以提出真正适合测流断面的观测方案。这些基础资料主要有:

(1)仪器安装断面的大断面图; (2)该站的历史最高水位和最低水位; (3)该站的最大流速和最大流量; (4)该站是潮汛河道,还是山溪性河流;

(5)河道的通航,尤其是仪器安装所在岸边的通航情况;等等。

1.2流速关系v断面=f(v流层)的率定

在满足仪器安装原则的情况下,还应进行代表流层的比测分析工作,涉及到v流层和v断面两个重要流速的关系率定问题。通常,v断面的测定需要应用断面流量测验仪器(转子式流速仪或走航式ADC等)来进行。在比测的具体操作上,要求H-ADCP与断面流量测验仪器同时测量,流层流速v流层由H-ADCP直接测出,而断面平均流速v断面则由转子式流速仪或走航式ADCP的测定流量Q测及相应过水断面面积A,依据式(3)求出:

v断面=Q测/A (3)

依照上述方法,分别测出不同水位级的v流层、v断面点据系列,用于分析率定其关系方程。v流层～v断面关系方程通常采用如下三种形式表达:

v断面=a v流层+b Z+c (4)

或

v断面=a·ln(v流层)+b (5)

或

v断面=a v流层+b (6)

式中:v断面—断面平均流速,v流层—流层流速,Z—水位,a、b、c—待定系数。

以上三个公式的确定,主要是根据v流层、v断面系列,通过回归分析计算,率定出经验回归系数a、b或a、b、c。这三种公式在实践中都会运用得到,建议每种形式都进行尝试,从中选取最佳的拟合方程。

1.3水位过程Z～t的确定和应用

在流速关系方程确定下来后,就可以通过监测流层流速,实现对断面平均流速的变化过程测定。但这与流量过程Q～t的求取尚有一段的距离,因为还需要确定与之相对应断面面积及其变化,才能通过式(2)来推算出流量值及其逐时变化过程。断面面积A,通常是通过水位的监测来实现。在此,着重探讨水位观测成果与水平式ADCP的流速监测成果如何衔接的问题,也就是如何实现水位、流速电算一体化的问题。

生产厂家已充分考虑过这个问题,他们推出了一系列带水位探头的仪器,可以在测定流速的同时,实施水位观测,于是直接达到了水位、流速一体化的目的。但从技术角度上看,ADCP水位观测与水文站本身的水位测量系统有重复建设之嫌,而且得到的两个水位系列时常会发生矛盾(比如在水中有悬浮物时,H-ADCP的水位观测精度会受到影响等),这时候就需要工作人员特别注意对这些数据进行比较分析,并及时修订其中不合理的部分。

一些早期仪器产品并未带水位探头,只能根据水文站本身的水位观测值系列进行摘取或内插。在完成水位记录数据化和内插程序的前提下,可以计算出对应于任意已知流速v流层的相应时刻水位值,这为断面流量的计算提供了条件。但如果水文站的水位观测方式属于比较原始的手工方式或半手工的机械式,上述计算方法的可操作性并不强。

目前,各地水文局都积极地进行水情中心或预警预报系统的建设,

这使得多要素一体化的目标不再是难题,只要H-ADCP与这些自动测报系统进行配套建设,在系统遥感装置中配置“水位”、“流速”等多个接口,则监测期内任何时刻的水位、流速值 均可以在计算机中轻易摘取。 1.4相应断面面积的确定

由于测验断面的河床长期处在一个变化的过程中,在选取多普勒测流断面位置时,宜尽量选用河床较为稳定的断面,这样可以保证Z～A关系较长时间基本不变。如果所选用的断面河床变动明显,则必须经常进行大断面校测,这就意味着任何一条Z～A关系线都是有时效性的,在实际工作中必须留意这一点。

对于特定流速v流层的相应断面面积的确定,主要是由相应水位依据当时的Z～A关系插算而得。在实现了水位系列、流速系列一体化的情况下,只要在计算程序中输入相应时段的Z～A关系(或A=f(Z)),即可按照式(2)求出相应时刻的断面流量值。 Z～A关系线(或函数)的确定,理论上可由以下 三种方法来进行计算(或率定):

(1)函数率定法。先根据本时期的大断面测量成果,计算出不同水位的过水断面面积,再依据这些水位面积点据进行回归分析,率定其回归方程A=f(Z)。

(2)Z～A关系线节点插算法。先根据本时期的大断面测量成果,计算出不同水位Z的过水断面面积A,点绘Z～A关系图,并从中找出不同水位级下具有代表性的各个节点,建立Z～A关系线节点图,并输