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1、 声学多普勒流速流向剖面仪声学多普勒流速流向剖面仪A D P（A D C P）原理、操作及应用原理、操作及应用 王王 秀秀 海海 2 0 12.92 0 12.9环境科学与工程学院环境科学与工程学院 大型仪器技术交流活动月大型仪器技术交流活动月 明渠河流流量测量明渠河流流量测量传统的河流流量测量手段 人工船测 缆道测量 桥上测量 涉水测量传统流量测量基本方法传统流量测量基本方法测流断面上布设多条垂线 在每条垂线处测量水深 用转子流速仪测量1N点流速 计算垂线平均流速和断面平均流速 根据测量时的水位，计算断面面积 由断面面积乘断面平均流速得流量ADCP河流流量测量河流流量测量ADCP的发明被认为
2、是河流测量领域的一次革命近年来国际上流行的一种新的流量测量仪器ADCP是英文的缩写 Acoustic Doppler Current Profiler通常译为声学多普勒水流剖面仪ADCP测量方式测量方式安装在固定的平台上，例如安装在河岸边或河底，进行定点的水平或垂直方向的流速剖面测量。ADCP 有两种不同的安装和应用的方式安装在活动的平台上，例如安装在测量船上，进行航行方向的垂线流速剖面测量。两种不同测量方式的两种不同测量方式的 ADCPSonTek公司生产的ArgonautSL、XR型声学多普勒流速仪适用于在线监测SonTek公司生产的RiverSurveyor型河流流量测量系统(ADP)适
3、用于船测ADCP测量原理测量原理ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器机械式流速仪是测量仪器所处位置的测点流速ADCP可以测量距仪器一定范围内的许许多多点的点流速及该范围内的平均流速声学多普勒原理声学多普勒原理多普勒频移是由于声源与接受物体之间的相对运动而引起的声源与物体之间在垂直方向的相对运动，则不会产生多普勒频移如果发射某频率的声波被一个移动的物体所反射，也会产生多普勒频移ADCP 工作原理工作原理1ADCP换能器发射某一固定频率的声波，被流动水体中的颗粒物反射，会产生多普勒频移Fd：声学多普勒频移；Fs：发射声波的频率V：颗粒物沿声波方向的移动速度C：声波在水中的传播速度
4、ADCP 工作原理工作原理2为了测量三维流速，ADCP一般装备有34个声学换能器，换能器的安装与ADCP的轴线成一定倾角。每个换能器都发射一个固定频率的声波，并接收流动水体中颗粒物的反射波。由多普勒频移计算出水流沿其声束坐标方向的速度。三个换能器的轴线可组成一组相互独立的空间声束坐标系，利用罗盘和倾斜仪，可将上述声束坐标方向的速度转换为地球坐标系下的三维流速。ADCP 工作原理工作原理3ADCP通过跟踪水体中颗粒物的运动（水跟踪）所测量的速度是水流相对于ADCP（即ADCP安装平台）的速度。当ADCP安装在固定平台上，水跟踪测量的流速即为水流的绝对速度。当ADCP安装在船上（移动平台），水跟踪
5、测量的相对速度中扣除船速（平台的移动速度）后才得到水流的绝对速度。ADCP 工作原理工作原理4走航式ADCP仪器中带有测量船速的装置。一般有两种方法。第一种方法称为底跟踪。是指ADCP通过接收和处理由河底的回波信号跟踪河底的运动，在河底没有移动的悬移质的情况下，底跟踪所测量的速度即是船速。另一种方法是利用GPS测量船速。由航迹上任意两点的GPS坐标值可以得到两点间的位移，再除以相对应的时间即可得到船速。走航式走航式ADCP测量原理测量原理1xYZ剖面（j）测量单元(n)Q总总=(qn,j)+(q边界边界)XY走航式走航式ADCP测量原理测量原理2从理论上讲，走航式ADCP流量测量原理与传统的人
6、工船测或缆道测量等的基本原理一样。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。计算得到垂线平均流速。只是ADCP所测的垂线可以很多很多，每条垂线上的测点也可以很多很多。走航式走航式ADCP测量原理测量原理3但是二者之间还是有一些不同之处：（1）传统方法是静态方法。无论是人工船测、缆道测量等等，仪器总是固定于所测垂线上进行测量。而ADCP是动态测量方法。ADCP在随测量船只运动过程中进行测量。（2）传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸。ADCP测量过程中不要求测流断面垂直于河岸。船的航行轨迹可以是斜线或曲线。走航式走航式ADCP测量原理测量原理4利用ADCP测量时航迹可以是曲
7、线走航式走航式ADCP测量原理测量原理5为了计算流量，ADCP在测量以下几个数据：（1）水的相对速度（相当于船的速度，由水跟踪测出）；（2）船速（由底跟踪测出，或由GPS算出）；（3）水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪）；（4）船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPS算出）。由相对速度扣除船速可得到水流的绝对速度。走航式走航式ADCP测量原理测量原理6实际上，走航式ADCP实测的是断面中部区域内的流速。这个区域称为ADCP实测区。另有四个小区域，由于测船不能靠近，或者因ADCP本身的原因，不能实测，我们将之称为非实测区。走航式走航式ADCP测量原理测量原理7ADP 实测部分和估算
8、部分水面 河底岸边实测部分实测部分走航式走航式ADCP测量原理测量原理8水面区域：厚度为ADCP换能器的入水深度加上ADCP的盲区。河底区域：河底界面对声波的干扰而造成的盲区，或者称之为旁瓣区。岸边区域：由于靠岸边水较浅，测量船只不能靠近而造成不能直接测量。走航式走航式ADCP测量原理测量原理9水面、河底区域的流量可通过实测区数据的外延来估算。岸边区域的离岸水平距离可采用电子测距仪器测量；或者预先在河中立测船起止的标志杆，预先已知该距离；每次走航前，将离岸距离值输入ADCP，同时输入岸边流速系数（根据测验规范，斜坡的系数为0.670.75,陡坡的系数为0.80.9）。岸边区域的流量即可测船起止
9、时的实测数据，进行外延来估算。走航式走航式ADCP测量范围测量范围型号型号 RS-3000 RS-1500 RS-1000 RS-500 RS-250频率频率(kHz)3000 1500 1000 500 250盲区盲区(m)0.2 0.4 0.5 1.0 2.0最小单元尺寸最小单元尺寸(m)0.15 0.25 0.4 1.0 2.0最小测量深度最小测量深度(m)0.5 0.9 1.3 3.0 6.0 最大测量深度最大测量深度(m)6 25 40 120 180安装在船舷边的走航式安装在船舷边的走航式 ADCP安装在船首的走航式安装在船首的走航式 ADCPXY水流方向走航式走航式ADCP安装示
10、意图安装示意图SonTek公司走航式ADP测流的软件界面侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理1对于宽度较小的河流或渠道，侧视式ADCP应安装在河岸或渠壁的基座上。对于宽河流或渠道，可以安装在岸边，也可以安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。两个换能器应位于同一水平面上，并保证声波为水平发射。仪器一般位于水下平均水深的0.6处，并保证离最低水位或河底的距离大于0.3米。侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理2仪器实测的是该水层测量段内平均流速,求出与断面平均流速的关系，乘以断面面积，可计算得到通过断面的流量。采用侧视式ADCP测流可以有两种流量的计算方法（1）流速面积法
11、（2）回归法侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理3流速面积法：流速面积法：适用于矩形断面人工渠道，且渠道宽度小于SL测量剖面范围(即最大单元长度)。原则上这种方法不需要进行率定。回归法：回归法：回归法是建立SL实测流速与河流或明渠断面平均流速之间的相关关系。相当于用实测资料对系统进行率定。适用于规则的人工渠道也适用于天然河流河宽或渠宽可以大于SL测量剖面范围。侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理4 流速面积法：流速面积法：（仅适用于矩形断面渠道）将一矩形断面明渠过水断面分成三个区域（假定SL安装在右侧渠壁）：（1）1 区：右侧渠壁附近仪器本身的测量盲区并包括仪器安装区；（2）2 区：SL流速测
12、量区；（3）3 区：左侧渠壁附近声束与渠壁干扰区，干扰 区一般为渠宽的1/10左右。侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理5流量则为三个区断面平均流速与过水面积的乘积:式中：Q为流量，A1、A2、A3分别为三个区过水断面面积，V1、V2、V3分别为三个区断面平均流速，H为水深，W1、W2、W3分别为三个区的宽度。侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理6 回归法：回归法：建立侧视式ADCP实测流速与河流或明渠断面平均流速之间的经验关系。（相当于用率定法）在进行采样的同时，用其他方法，如传统的定点测流法或ADCP走航法测出流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据。同步采样需要在不同的流量情况下进行.得
13、到一组V层与V断的数据。对数据进行回归分析(如采用最小二乘法)，即可以得到V层与V断的关系曲线或回归方程。侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理7根据USGS，回归方程的一般形式为：式中：V断为断面平均流速，、C为回归系数，H为水位。侧视式侧视式ADCP测量原理测量原理8在许多情况下，回归方程可以简化为：流量由下式计算：侧视式侧视式ArgonautSL测量范围测量范围型号型号 SL-3000 SL-1500 SL-500 频率频率(kHz)3000 1500 500盲区盲区(m)0.3 0.5 1.0最大测量范围最大测量范围(m)6 22 120安装在渠道壁上的安装在渠道壁上的Argonaut-
14、SLSonTek公司公司ArgonautSL的软件界面的软件界面侧视式侧视式 Argonaut-SL 的应用的应用美国地调局USGS应用SonTek公司的ArgonautSL系统十分成功。美国USGS已经采用SL取代了前几年流行的超声波时差法测流系统。目前，USGD已有300多个水文站采用了SL作为明渠及河流流量实时监测系统。美国USGS水文站实时流量资料在互联网上公布。侧视式侧视式 Argonaut-SL 的应用的应用SL安装在荷兰安装在荷兰 Spijkenisse 桥上示意图桥上示意图侧视式侧视式 Argonaut-SL 的应用的应用流量、水流量、水 质质 监监 测：总量控制测：总量控制流
15、量pH溶解氧浊度温度硝酸盐铵盐叶绿素盐度水位座底式座底式 ADCPXR淘金者淘金者XR型声学多普勒流速仪型声学多普勒流速仪三维、底部按装三维、底部按装垂向平均垂向平均可达可达 15m 的测量范围的测量范围自动跟踪水位自动跟踪水位(动态调动态调整测量水体）整测量水体）座底式座底式 ADCPXR的测量方式的测量方式深度平均深度平均流速流速设定某层设定某层面的流速面的流速XR 自动跟踪水位功能自动跟踪水位功能侧视式侧视式 SL ADPSL-ADP:可达可达 100 个测量单元个测量单元 测量单元大小可设定测量单元大小可设定 数据量大数据量大侧视式侧视式 SL ADP 的应用的应用纽约长岛纽约长岛 Shinnecock 湾口航道湾口航道 SL-ADP 在线监测在线监测侧视式侧视式 SL ADP 的应用的应用SL-ADP 在线监测数据实例在线监测数据实例：www.lishore.org/shinnecock/latest.htm