基于船载式浮动平台的ADCP垂线流速分布测验研究

，

(1．中国科学院南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008；

2.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049)

1 研究背景

江河湖泊等自然水体水流多处于紊动状态，水流的时均流动及其紊动结构是认识这些自然水体中泥沙、污染物质输移的基础[1-3]。传统的流速垂线分布测量方法采用单点式流速仪逐一对各条流速垂线上不同深度测点进行点测量。为了改进传统费时费力的垂线逐点测量方法，基于声学多普勒原理的多普勒剖面流速测试技术得到了快速的发展，解决了传统垂向流速测量方法耗时耗力的问题。

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)能直接测量垂线不同深度的流速，对流速干扰小，测验范围大且精度高，被广泛应用于江河湖泊水流结构调查、流量测试等[4-7]。一般地，在河流水文测验中，为了测定河流流量，多采用船载走航式测量，测定断面不同垂线不同深度位置的瞬时流速，根据水力学原理推算河道断面流量，获取可靠的流量估计[8]。对于流速的观测，则多采用固定支架来测定流速。固定平台上的流速测验增加了测流的难度，操作不够便利。船载式浮动平台快速机动，利用该平台来开展现场的流速测验，可大大优于传统流速测量方式，省时省力；但是并没有相关的研究表明利用船载式浮动平台测试垂线流速数据的可靠性。

为此，本文采用基于船载式浮动平台上搭载ADCP开展现场垂线流速测验，分析了该浮动平台上获取数据的可靠性，并对比了脉冲相干和非相干2种测量方式获取的垂线流速分布数据，获得了合理的结果。本测验研究结果可供这类浮动平台上ADCP流速测验提供借鉴。

2 ADCP流速测量原理

ADCP是利用声学多普勒效应来进行测流的。换能器以固定的频率向水中发射声波，当声波碰到水中的声散射体(如浮游生物、悬浮粒子等)后，大部分的声脉冲向前传播，不受散射粒子的影响，只有少量的脉冲返回并被声学多普勒流速剖面仪接收，反射回来的小数量的声脉冲频率发生改变，与发射声波的频率之间会产生一个频差，如图1所示，当粒子远离换能器时，反射回来的声脉冲频率减小，反之则增大，这个频差就是多普勒频移[9-10]。通过测量得到多普勒频移即可得到散射粒子的速度。多普勒频移与散射粒子速度之间的关系可由下式确定：

(1)

式中：Fd为声学多普勒频移；F为发射波频率；V为颗粒物沿声束方向的速度；C为声波在水中的传播速度。由于水体中散射粒子悬浮于水中，它们的速度通常与水流速度保持一致，故颗粒物的速度V即为水流的流速。用于单点测量的声学多普勒流速仪只接受经悬浮颗粒反射后某一时段的回波信号，因而也只能测量某一水深处的流速值，ADCP可以接受经悬浮颗粒反射后多个时段的回波信号，从而能够对不同水深处的水流速度进行测量，可同时获得垂向不同水深处的流速值[11](图2)。

注:H表示水深;δ表示测量范围;s表示单元层厚

ADCP可分为非相干式、相干式2种测流方式[12]。它们的测量机制不同。

非相干测流方式是通过连续发射和接受非相干单载频矩形脉冲信号并对信号进行处理。由于同一深度上的连续回波不具有相干性，该方式下的测量仅仅计算一个脉冲回波内的相位变化。为了使单次测量满足精度要求，通常会选取较大层厚的单元。因此，非相干测流方式垂向剖面分辨率较低。

相干测流方式是利用连续相干脉冲信号进行收发和处理。它测量的是同一深度上的多个连续回波信号之间的相位变化。相干测流的测速性能不再由单个脉冲宽度决定，使得测量单元的层厚大大减小，极大地提高了剖面测量的空间分辨率。然而，利用相干脉冲测速会产生所谓的“模糊现象”，因而限制了应用脉冲相干法测定流速的范围，不仅受测量深度限制，而且测量流速的范围较小。因此相干测流方式主要用于测试浅水区且对垂线分辨率要求较高的情形。

3 流速数据采集与处理

3.1 试验区及流速采集

研究试验区选择在洞庭湖。洞庭湖[13]位于我国长江中游，湖盆地形复杂，既有快速过流的泄水洪道，又有相对较为封闭的内湖和湖湾。洞庭湖全湖流速分布空间差异很大[14-15]，存在各种流速和水深条件，非常适合开展不同测流方式的比较。

试验所用仪器为RiverSurveyor M9，它被优化设计用于河道断面流量测定。该仪器具有9个换能器，可根据不同的水流条件切换测流方式、换能器的工作频率、单元层厚等参数。不同环境下测流方式及相关工作参数如表1所示。测验时，将该仪器固定于微型三体船，并将船体锚定，定点测定瞬时流速垂线。工作示意图如图3所示。

表1 不同环境下测流方式及单元层厚

图3 RiverSurveyor M9测量示意图

本文选取了6个代表性测点的垂线流速数据。为了求取时均流速垂线分布，各测点均保证100次以上的重复测量，每个测点获取了N(N>100)组瞬时流速剖面。

3.2 流速数据处理

现场流速测验受风浪等环境条件的干扰，可能产生一些明显失真的数据。在分析数据之前，将直接剔除这些少量的失真的噪点数据。

图4 平均流速与垂线组数n关系曲线

(2)

(3)

表2 代表性测点概况

(4)

(5)

图5 测点垂线时均流速

4 结果与讨论

6个测点平均流速垂线分布如图5所示。从中可以看出，经过平均后，各测点流速沿垂线分布的线型光滑，已完全不同于单次测量获取的锯齿形瞬时流速垂线分布。各测点垂线流速分布大致符合浅水水流流速垂向分布规律。总体上看，采用船载式浮动平台可准确地测定流速垂线分布。为了进一步分析结果的合理性，对各条垂线多次重复采样的瞬时流速数据进行逐个统计分析。各测点随机选择的某一单元流速频率分布直方图如图6所示，可以看出，不管哪种测量方式获取的流速值，其流速出现频率符合正态分布，这与湍流统计特征分布一致[16-18]。这也说明，经过足够多次重复测量，基于船载式浮动平台也可准确地获取该测点的垂线流速分布。

图6 流速频率分布直方图

进一步对比流速分布和各层流速测量的标准差(图5和表3)可以看出，采用相干法测量的测点a，b，c获取的流速更为集中，平均相对标准差均在10%以内，比采用非相干法测量的测点d，e，f的相对标准差(约20%～30%)要小得多。这也从一个侧面说明了脉冲相干法较非相干法测流的精度更高。另一方面，相干法测量可使测量采样单元体积更小，从而提高流速垂线上的分辨率，在测点a,b和c中，垂向分辨率为0.06 m，与测点d，e,f采用脉冲非相干法测量的0.5 m相比，脉冲相干法在提高流速测量精度的同时，明显地提高了垂线流速测量的分辨率。因此，在浅水区，应尽可能采用脉冲相干方法来测量。

表3 测点的相对标准差

5 结 语

为了提高垂线流速分布测量效率，开展了在船载式浮动平台上应用ADCP测量垂线流速分布的可靠性分析研究，并对比了采用脉冲相干和非相干2种测量方式测定的流速分布的差异。基于现场测定的流速数据分析表明，船载式浮动平台上应用ADCP测量垂线流速分布是可行的。这一结论可帮助人们大大提高利用ADCP采集垂线流速分布数据的效率。在湖泊等浅水区，脉冲相干测量方式不仅精度高，而且垂线分层的分辨率高，获取的流速数据结果明显优于非相干测量方式。因此，建议在浅水区，尽可能采用脉冲相干方式。

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