流量测量及其测量盲区

10.3.2　ADCP流量测量及其测量盲区

从原理上讲，ADCP流量测量原理与传统的人工测量方法是一样的，都是在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线上测量水深并测量多点的流速从而得到平均流速。只是ADCP所布设的垂线可以很多，每条垂线上的测点也可以很多(如美国的RDI600可测层数最多达128层)。为了计算流量，ADCP在走航测验中测量水流的相对速度(相对于测船的速度，由“水跟踪”测出)、船速(由“底跟踪”测出，或由GPS算出)、水深(由河底回波测出)、测船的航行轨迹数据。

对于ADCP的三种工作方式，均存在上、下测验盲区以及近岸无法测量的问题，盲区范围见表10-4，因此，流速/流量实测区域仅为图10-8的中间部分，其余部分的流速则需要通过流速分布规律(如指数分布、对数分布或抛物线形分布等)进行计算。

表10-4　ADCP盲区范围

图10-8　ADCP测流断面分块示意图

水面附近的信号传播盲区形成的原因是:在换能器由发射状态转换为接收状态时，需要一个时段(发射后的空白历时)，而在该时段内，换能器面附近水域的背向散射信号已经返回，但换能器没来得及接收这些信息，因而形成了该盲区。该盲区的大小取决于所发射声波脉冲的频宽，频宽越大，盲区越大。该盲区一般在1m左右。下盲区是由于受来自水域边界强背向散射体的强背向散射信号的影响，使这部分水域的反射信号失真而形成的，该盲区占整个水深的10%左右，见图10-9。近岸盲区的形成是由于两岸的水深较浅，导致ADCP测船不能靠近或不能获得有效深度单元的测量数据。

应用船载式ADCP测量流量是计算两岸间横断面上每一条垂线上的流量。通常用“流速-面积”法计算流量，计算公式为:

式中:Q_t为总流量;S为河流断面面积;d S为河流断面上的微元面积;V_f为河流断面上某点处平均流速矢量; n为测船航迹上的单位法线矢量。

这种流量计算的方法，其实质是河流断面横向的积宽和垂向的积深，其测验精度与测船的航迹无关，只要从河面的一侧测至另一侧，无需测船保持直航，即能采集到精确的流量数据。在计算流量前，应首先确定表层、底层及中间层的尺寸。

图10-9　ADCP工作盲区示意图(上、下盲区)

表层、底层及中间层的边界为:

表层厚度:　　　　　　D _top= z₃-z₂　　　　　　　　(10-8)

中间层厚度:　　　　　　　D _middle= z₂-z₁　　　　　　　　(10-9)

底层厚度:　　　　　　　　　D _bottom= z₁　　　　　　　　　　　　　　　　(10-10)

由于ADCP存在上下两个盲区，故垂线平均流速按表层、中间层和底层三部分计算。

①中间层平均流速。由ADCP系统直接测出，其大小为第一个垂向单元至靠近河底单元的所有单元测得的流速的平均值，x方向流速分量为(y方向流速分量类似):

式中:V_xM为x方向流速平均值;u_xj为垂向深度单元j测得的x方向流速;n为垂线上单元个数。

②表层流速。ADCP借助于垂线流速分布(如指数分布、对数分布、抛物线形分布等)规律或常数法来推求表层或底层平均流速及流量。若采用指数分布规律，则表层平均流速为:

③底层流速。在按指数分布规律考虑时，底层的平均流速为:

故垂线平均流速为:

实际测量中对上、下盲区流速的估算通常采用常系数法。

水面处水体流速和ADCP实测第一个单元流速之间的关系公式为:

　　　　　　　　　　v _s= v₁×coef₁　　　　　　　(10-15)

式中:v _s为水面流速;v₁为ADCP在垂直方向所测的第一个有效单元流速;coef₁为表层流速外延系数，对于长江口地区，其值在0.95～1.05之间，通常采用1.02。

河底处水体流速和ADCP实测最后一个有效单元流速之间的关系公式为:

　　　　　　　　　　　　　v _B= v _L×coef₂　　　　　　　　(10-16)

式中:v _B为河底流速;v _L为ADCP在垂直方向所测最后一个单元流速; coef₂为底层流速外延系数，其值与河床特性及测量垂线的水深有关。经对大量的比测资料分析，对于长江口地区，其值在0.79～0.85之间，通常采用0.795。

ADCP通过遍历由中间层厚度确定的范围来计算中间层流量。

对于每一个水深单元，其流量Q_i为:

　　　　　　　　　　　　　　Q_i= u_xiΔtD_a　　　　　　　(10-17)

式中:Q_i为垂线上第i个水深单元的流量;u_xi为垂线上第i个水深单元的流速;Δt为连续垂线的时间间隔。中间层的流量Q _mid为:

式中:N为中间层的水深单元个数。

靠近河岸两侧的区域，其流量需通过实测区域数据外延来估算。ADCP采用比例内插方法对近岸流量进行估算，利用靠近河岸的第一条或最后一条垂线的流速，推求近岸部分的平均流速，进而得到近岸流量。

近岸流量的估算公式为:

　　　　　　　　　　　　　Q _NS= CV _m Ld _m　　　　　　　　(10-19)

式中:Q _NS为近岸流量;L为岸边至测量起点微小单元(或终点单元)的距离;d _m为起点(或终点)微小断面处的水深;V _m为起点(或终点)微小断面内的垂线平均流速;C为河流断面形状系数，三角形断面C=0.35，矩形断面C= 0.91。