ADCP在断面流速流向分布抢测中的应用
《ADCP论文》大纲3000字
摘 要：钱塘江在洪水期间通常需要在多个断面处开展流速流向分布测验工作。针对传统的流速流向仪测验方法所具有的测验历时长，施测难度大，技术人员及装备投资大等缺点，并结合河口区的江道特性、潮汐特性等，提出采用ADCP沿断面走航进行流速流向测验的方法，并介绍采用ADCP测验流速流向分布的方法与优势。基于ADCP工作原理及数据存储格式，提出对ADCP存储模块中流速流向数据的提取方法与数据转换方法等。以钱塘江三江口河段流速流向分布测验为例，给出测验成果，并对结果进行误差分析。
1 引言
洪水期间行洪弯道处的断面流速流向分布情况一直是防汛调度决策的重要依据，特别是对洪水冲刷一侧的河岸堤防安全防护尤为重要。然而洪水期弯道处水流湍急，流态复杂，且弯道处一般不设有水文缆道，采用流速流向仪的测验方法很难开展。近年来，随着科学技术的发展以及声学多普勒测流技术的成熟，ADCP走航流量测验方法因具备测验历时短、机动性强及测验精度高等优势已在我省得到普及运用[1]。而采用ADCP进行定点测量的方法也会受到洪水期定位难度大、在浅宽断面处测验历时过长等的限制。综合考虑ADCP的设备优势及定点测验方法的不足，提出采用ADCP进行断面走航测验，然后分析处理存储模块中的流速流向数据，最后形成断面流速流向分布成果的方法。 2 ADCP施测方法
测验采用测船拖曳ADCP沿断面走航的方法进行。测验过程中，按照SL 337-2006《声学多普勒流量测验规范》[2]的要求，船速一般不大于3倍的流速。为提高测船在测验断面上的走航精度，采用GPS系统对测船进行导航。选择测船走航轨迹偏离所测断面距离小于10m的测次进行成果输出。为了更真实的反应高洪时期的流速流向分布情况，测验时机选择在洪峰时段附近。 3 数据处理方法与原理 3.1 现场分析与预处理
作者简介：陈金浩(1986-)，男，江苏苏州人，从事水文测验、水文资料整编工作。
ADCP在断面流速流向分布抢测中的应用
在进行流速流向外业施测的阶段，需在现场分析所测测次的测验质量情况，包括测船航迹偏离断面情况、GPS数据质量、ADCP的GPS质量、底跟踪质量、水跟踪质量等，如数据质量不能满足测验规范的要求，需重新施测。完成后对测验数据进行预处理，记录当地磁偏角，对高洪高含沙量状态下的数据进行GPS改正等，实现按照SL 337-2006《声学多普勒流量测验规范》[2]要求对现场数据进行整编。
3.2投影与起点距
每一份实测资料都需要找出在特定垂线上所对应的流速流向信息，这就需要对实测资料起点距的提取。起点距采用ADCP的GPS定位信息计算得出。ADCP的GPS系统不受河道水情或人为因素的影响，起点距定位精度达到厘米级。ADCP提供的定位信息是每一个测验信号的经纬度信息，而当地坐标一般采用1954北京坐标系统。因此首先需要将经纬度信息转换为当地坐标。然后进行投影计算，即将实际走航的定位信息投影到施测断面上[3]，如图2所示，实际走航轨迹相对所测断面有所偏离，需要走航轨迹投影到断面线上。最后根据断面起讫点坐标即可计算出每一个测验信号的起点距。 3.3 垂线布设与流速分层
在每个测验断面上按需求布设若干条垂线，以计算垂线平均流速和垂线平均流向。垂线布设可根据每个测次的实际测验情况动态等间距布设。因为受洪水期水流湍急，各场次洪水位变幅大、测船近岸水域走航困难等因素影响，各个测次的实测部分宽度可能存在较大差异。
选定流速垂线后，需要对每条垂线进行分层处理。分层选定原则为：水深大于10m的垂线分为5层，各层相对水深分别是：0.0、0.2、0.6、0.8、1.0；水深
小于10m的垂线分为3层，各层相对水深分别是0.2、0.6、0.8[4]。 3.4 垂线平均流速流向处理
选定流速垂线后，需要计算每条垂线的平均流速和流向。垂线流速信息采用走航式流速仪数据库中起点距最邻近的流速信息进行计算。具体做法为使用MATLAB在测验数据库中提取出该垂线的向北方向平均流速分量和向东方向平均流速分量，然后计算垂线平均流速大小，并计算流速北偏东水平偏角，即垂线平均流向值[4]，计算公式如下：
ADCP在断面流速流向分布抢测中的应用
Vm?X2?Y2
(1) (2)
当Y?0时，??arctan(YY)； 当Y?0时，????arctan() XX式中，Vm为垂线平均流速；X为向北方向垂线平均流速分量；Y为向东方向垂线平均流速分量；?为流速北偏东水平偏角（垂线平均流向）。 3.5 垂线分层流速值处理
垂线分层流速值的处理需要对ADCP的流速数据进行流速单元的分解与定位。MATLAB数据库提供的多普勒数据是以流速单元的格式记录的。从ADCP的水跟踪测验原理上分析，每一个流速信息是根据当时的水深情况扣除实测盲区（分为上盲区和下盲区）后以等分测速单元的形式记录的；而上下盲区的界定及流速单元的大小和个数都要根据当时水深及波速衰减率来确定。因此我们在对垂线分层数据进行相对水深定位时，要提取当次垂线的上盲区大小、测速单元大小、测速单元个数以及下盲区大小。测速单元大小与测速单元个数的乘积就是流速仪实测部分的深度；实测部分的深度加上上下盲区大小就是流速仪所返回的实测水深，如图3所示。
由此便可进行某一条垂线上相对水深?处的测速单元定位：
式中，i为实测部分从上往下的测速单元序号；?为相对水深；D为实测水深，
m；da为上盲区大小，m；d0为测速单元大小，m。
垂线上从上往下第i个单元的流速信息就是所需垂线相对水深?处流速信息。定位到分层流速信息后，提取第i个单元的向北方向流速分量X和向东方向流速分量Y，X2?Y2值就是相对水深?处的流速值大小。按以上方法计算其他垂线其他相对水深处得流速值。
通过以上五个步骤的操作，完成了对测验数据的内业计算工作，从而为成果输
出及数据成图做好准备。 4 成果实例 4.1 概况
以钱塘江三江口河段为例，三江口河段及断面示意如图4。该河段位于富春江和浦阳江汇合处的下游，江道弯曲程度大。在2010年7月洪水期间分别在之江断面、39#、48#和52#共4个断面处开展走航测验。测验采用的ADCP型号为
ADCP在断面流速流向分布抢测中的应用
“RiverSurveyor-M9”， GPS系统采用中海达V8 1＋2台套GPS定位仪，测深仪系统采用加拿大生产的Knudsen 320M双频测深仪。 4.2 成果
按照上述数据处理原则处理后形成流速流向成果共3项：断面垂线平均流速流向及分层流速信息表（表1）、断面垂线平均流速流向分布图（图4）和断面流速等值线图（图5）。垂线布设方法设定为在每个测验断面上根据每次测验的实际情况等间距布设20条垂线。断面流速等值线图[5]的大断面是采用GPS结合测深仪的实测成果绘制的；水位值通过之江袁浦水位台观测数据摘录；从图5中可以看出断面的四周均存在ADCP的测验盲区。 5 结语
（1）实例应用表明，采用ADCP走航测验流速流向分布的方法可行，综合考虑了ADCP的设备优势及定点测验方法的不足，解决了行洪期间流速流向测验的难题，且具有人力物力投入少、测验耗时短和测验机动性强等优点。
（2）ADCP测验历时短有利有弊，一方面测验期间水文要素变化小，测验机
动性强；另一方面，测验值受流速脉动影响偏大，成果可信度降低[6]。
（3）ADCP存在实测盲区，其中左右盲区是岸边实测盲区。为了更好的获取岸边流速信息，左右盲区可以采用其他方式拖曳盲ADCP来减小。