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1、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在长江河道 水文测验中的应用推广作者：孔汪洋来源：科技资讯2012年第6期孔汪洋(安徽省长江河道管理局测绘院安徽芜湖243000)摘 要:ADCP在长江河道工程及非工程水文测验中的使用日益频繁，测验技术日趋成熟，资料 的处理技术上也见仁见智。本文阐述了 ADCP使用中遇到的一些技术问题及处理方法，内容包括 外接罗经的使用、外接GPS的使用、数据处理技术等。关键词:ADCP水文测验外部罗经数据处理流速流向计算中图分类号:TV2文献标识码:A文章编号：1672-3791(2012)02(c)-0098-021特点介绍船用多功能声学多普勤流速剖面仪(简称多功能ADCP
2、或MADCP)主要功能是测量三维流场剖 面，同时还兼有测量悬浮泥沙浓度的功能，主要应用领域是海洋监测，环境保护，海洋开发和航道 建设等方面。ADCP被公认是当今最主要的测流手段。多功能ADCP采用专用学多普勤原理，用声 波遥测水流的速度，对流场不产生干扰，而且能够在航行过程中测量流速剖面，可快速地获得一个 水域的流场断面。与常规的单点式海流计相比，具有测量精度高，快速，高效，省时省力等优点。 多功能ADCP采用了宽带和窄带两种测流技术，能适应各种复杂的流场。多功能ADCP能够在测量 流量速剖面的同时测量悬浮物浓度剖面,是研究泥沙迁移规律，计算输沙量的十分有效的工具。 在国际上未见有相似器的报道
3、，具有独创性。多功能ADCP的操作软件是完全中文界面的，更加适 合中国用户，运行于视窗环境，界面友好，使用方便。经长期的比测，积累了大量的经验。在此基础上，结合我省十三个河段近两年的水文测验以 及过去的资料分析，该设备不但具有能直接测出断面流速，具且有不扰动流场、测验历时短、测 速范围大等特点。2存在问题经过实验、咨询发现ADCP因其受含沙量、河床流沙和船体等影响较大，使ADCP在一些条件 下的使用受到制约，需外接GPS和磁罗经，才完全能够在实际生产中应用。仪器商提供的WinRiver软件可以进行数据处理，但要满足一些应用的要求，该软件还是存在 不足,针对这个问题开发一套数据后处理软件。3 技
4、术实现3.1外部罗经与GPS的使用在外部磁场干扰下，用外接罗经测定船向时，罗经的安装与标定直接影响测验的精度。用外接罗经时，其标定分两步走。第一步是外部罗经自身的标定，其目的是让外部罗经记录 测量环境的磁参数，即适应环境;第二步是外部罗经与ADCP相对方向的确定，即ADCP正向与罗经 正向的差角（当使用ADCP内部罗经时只使用WinRiver软件中的配合进行一次标定即可。其实，在WinRiver软件中，将罗经角度、罗经偏移与磁偏角之和用于仪器坐标到船系坐标或 地球坐标的转换,用上述方法时，是否测量磁偏角已无多大意义。而且在WinRiver软件中回放时, 当采用底跟踪（Btm）方式时，罗经偏移、
5、磁偏角或二者之和仅影响水流方向而不影响流量;当采用 GGA方式时，罗经偏移、磁偏角主或二者之和不仅影响水流方向还要影响流量。所以如果测量结 果中住返水流方向值总是相差较大（大于5），多半是由于罗经安装或标定不当引起。3.2数据处理技术ADCP流量测验的资料，流量、面积、河宽、断面平均流速流向、断面平均水深、断面最大 流速、最大水深数据均可从WinRiver回放软件中直接得出。垂线流速流向数据，可在回放界面 中人工摘取,处理时一般用剖面流速代替，产生的差异较小，但对多个剖面平均处理时，WinRiver 软件在平均位置及平均水深处理上不太令人满意。而且，当数据量较大时,人工挑选工作量大且 极为不便
6、，需通过编制相应的软件进行提取和计算处理。在ADCP数据后处理的算法中，根据资料 提交的要求不同，应采取不同的算法。后处理的数据来源为WinRiver回放软件所产生的ASCII 码文本文件。在垂线流速的提交方式上,有的要求提交ADCP实测水层单元的流速，有的要求提交垂线上相 对水深的资料，涉及到的算法也不尽相同。3.2.1垂线位置和水深的确定ADCP原始数据中记录的位置实际为该剖面的平均位置，一个剖面的跨越宽度一般为1m5m, 在提取数据时垂线水深一般用剖面水深代替，垂线的位置数据计算,将回放输出的文本文件中的 经纬度数据按高斯正算的方法计算垂线平面坐标。若使用平均处理策略，则对水深也进行平均
7、处理，起点距的算法有平均算法和中心线法等，平 均计算时又有算术平均和加权平均算法。3.2.2垂线流速分布函数的确定WinRiver软件支持的流速插补方法有幂指函数、常数、三次平滑等，缺省为幂指函数。虽 然幂指函数与我国常用的对数分布函数有一定的差别，但软件中仅将此函数用于顶层和底层流速 的插补计算，不致产生较大差异，在WinRiver软件中调整幂指数b的值，对流量影响甚微。3.2.3有效数据的判别在回放输出的ASCII文本文件中，各水层单元的数据包括当前水层单元的深度、流速值、流 向、东向流速、北向流速、垂向流速、误差流速、波束1反向散射、波束2反向散射、波束3 反向散射、波束4反向散射、好的
8、百分数、流量共13个数据。其中流速流向的坏值表示为- 32768,反向散射的坏值表示为255,好的面分数坏值为0,流量坏值表示为2147483647。在提取流速流向资料时,面临三种数据有效性的判别方法：以单元流量有效为判别条件、以 单元流速有效为判别条件或以好的百分数为判别条件，在应用时根据流速分布情况选取其中一种。当垂线流速资料按ADCP实测水层单元深度提交时，可直接从回放后的输出文件中选取，计算 的步骤是先分别计算东向、北向的垂线流速分量的分布数据，再用矢量合成的方法计算垂线流速、 流向。在计算各方向的分量时，垂线平均流速的分量按式4.1计算,顶层流速的分量按式4.2计 算，顶层流速分量的
9、水深为第一个有效单元以上部分的中心深度，底层流速分量按式4.3计算，底 层流速分量的水深为最后一个有效单元以下部分的中心深度，垂线上各水层单元的水深与分量的 水深一致，各水层单元的流速为东向分量与北向分量的方和根，按式4.4计算，流向方位角为东向 分量与北向分量比值的反正切值，按式4.5计算。垂线平均流速流向用垂线平均流速分量参照式 4.6和式4.7进行计算。当垂线资料按传统的五点法或六点法资料提交时，则需将水层单元流速通过一定的方法转换 为各相对水深（水面、0.2、0.4、0.6、0.8、河底等位置）处的流速，计算步骤上仍然是先算分量, 再合成，分量计算的常用做法是：当测点绝对水深在实测的有
10、效水层范围内时，用直线内插计算， 当测点绝对水深位置在实测有效水层之外时，可参照顶层及底层流速的算法推求，也可用式 4.6（Vmax采用中间实测层的最大流速分量代替）计算,有时也直接将实测的最上层单元流速作为 水面流速，将实测的最下层单元流速作为河底流速。水面点的计算水深一般采用0.2m0.5m，河 底点的计算水深一般采用河底以0.3m0.5m。分量垂线平均流速一般参照河流流量测验规范 中的公式进行计算。4后处理软件简介ADCP野外测量快捷方便，WinRiver软件具备实用的回放功能，仪器商还提供了一系列的工具 软件进行数据的处理。虽然如此，要满足一些应用的要求,这些软件还是不够的，还需自行开
11、发一 些数据后处理软件。我院经过一段时期的应用和实验，针对WinRiver软件在ADCP测验数据处理 上的不足，自行开发的ADCP测验数据后处理软件（见图1）,该软件是基于VB平台下开发,为了提 高数据的益存性于可比性,故采用数据库形式处理和存储数据，具备断面数据提取、流量计算、 流速流向提取、输沙率计算、泥沙分析数据处理等功能，为了保证同一份资料中的流量与流速数 据的一致性,该软件选取与WinRiver软件算法一致的策略。应用于生产实践中，弥补WinRiver软件数据处理上的欠缺之处，使ADCP更加适合长江河道 水文测验的各项要求。语士口结5宫关rg-tl-r-r-云皇翅J-w ; p -7
12、二：L=运走二三:r.:?三壬:7:7w7.r.;.;卷程展-;: r:!=:*!xil恭花”jfEE 薄段茧i= J芸殳芒三强其戋二!:=.S ill二.I:rHjisww禁薛尊！？; F : r w* mu.sEUW :% rlT SB IK 4r 4r FniEFr - m#:J:， 节京花 J *-?专:=易*君苦强铠整l-L随着ADCP这项新技术在水利行业的广泛应用，我们可以切实体会到它给我们的工作带了诸 多便捷和高效之处,但在具体应用时就会发现一些问题，通过分析、实验是可以找到行之有效的 解决办法的，将理论上的研究与实际应用相结合,才能使ADCP的应用技术不断发展，找到传统与 现代测验方法的衔接点，这样ADCP就能够更好的应用于长江河道水文测验工作中。参考文献1 田淳,刘少华.声学多普勒测流原理及其应用M.黄河水利出版社,2003.2 中华人民共和国国家标准河流流量测验规范GB50179-93S.
声学多普勒流速剖面仪在长江河道水文测验中的应用推广
