ADP原理操作及應(yīng)用ppt課件

1、 聲學(xué)多普勒流速流向剖面儀聲學(xué)多普勒流速流向剖面儀A D PA D PA D C PA D C P）原理、操作及應(yīng)用原理、操作及應(yīng)用 王王 秀秀 海海 2 0 12 . 9 2 0 12 . 9環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 大型儀器技術(shù)交流活動(dòng)月大型儀器技術(shù)交流活動(dòng)月 明渠河流流量測(cè)量明渠河流流量測(cè)量傳統(tǒng)的河流流量測(cè)量手段 人工船測(cè) 纜道測(cè)量 橋上測(cè)量 涉水測(cè)量傳統(tǒng)流量測(cè)量基本方法傳統(tǒng)流量測(cè)量基本方法測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線 在每條垂線處測(cè)量水深 用轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)量1N點(diǎn)流速 計(jì)算垂線平均流速和斷面平均流速 根據(jù)測(cè)量時(shí)的水位，計(jì)算斷面面積 由斷面面積乘斷面平均流速得流量ADCP河流流量測(cè)量

2、河流流量測(cè)量ADCP的發(fā)明被認(rèn)為是河流測(cè)量領(lǐng)域的一次革命近年來國(guó)際上流行的一種新的流量測(cè)量?jī)x器ADCP是英文的縮寫 Acoustic Doppler Current Profiler通常譯為測(cè)量的流速即為水流的絕對(duì)速度。當(dāng)ADCP安裝在船上移動(dòng)平臺(tái)），水跟蹤測(cè)量的相對(duì)速度中扣除船速平臺(tái)的移動(dòng)速度后才得到水流的絕對(duì)速度。ADCP 工作原理工作原理4走航式ADCP儀器中帶有測(cè)量船速的裝置。一般有兩種方法。第一種方法稱為所測(cè)量的速度即是船速。另一種方法是利用GPS測(cè)量船速。由航跡上任意兩點(diǎn)的GPS坐標(biāo)值可以得到兩點(diǎn)間的位移，再除以相對(duì)應(yīng)的時(shí)間即可得到船速。走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理1xYZ

3、剖面j）測(cè)量單元 (n)Q總總 = (qn,j) + (q邊界邊界) XY走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理2從理論上講，走航式ADCP流量測(cè)量原理與傳統(tǒng)的人工船測(cè)或纜道測(cè)量等的基本原理一樣。在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線。在每條垂線處測(cè)量水深并測(cè)量多點(diǎn)的流速。計(jì)算得到垂線平均流速。只是ADCP所測(cè)的垂線可以很多很多，每條垂線上的測(cè)點(diǎn)也可以很多很多。走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理3但是二者之間還是有一些不同之處：（1傳統(tǒng)方法是靜態(tài)方法。無(wú)論是人工船測(cè)、纜道測(cè)量等等，儀器總是固定于所測(cè)垂線上進(jìn)行測(cè)量。而ADCP是動(dòng)態(tài)測(cè)量方法。ADCP在隨測(cè)量船只運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行測(cè)量。（2傳統(tǒng)方法的測(cè)流斷面通常要

4、求垂直于河岸。ADCP測(cè)量過程中不要求測(cè)流斷面垂直于河岸。船的航行軌跡可以是斜線或曲線。走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理4利用ADCP測(cè)量時(shí)航跡可以是曲線走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理5為了計(jì)算流量，ADCP在測(cè)量以下幾個(gè)數(shù)據(jù)：（1水的相對(duì)速度相當(dāng)于船的速度，由水跟蹤測(cè)出）；（2船速由底跟蹤測(cè)出，或由GPS算出）；（3水深由河底回波強(qiáng)度測(cè)出，類似于回聲測(cè)深儀）；（4船的航行軌跡由船速和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)算出，或由GPS算出）。由相對(duì)速度扣除船速可得到水流的絕對(duì)速度。 走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理6實(shí)際上，走航式ADCP實(shí)測(cè)的是斷面中部區(qū)域內(nèi)的流速。這個(gè)區(qū)域稱為ADCP實(shí)測(cè)區(qū)。另有四個(gè)小

5、區(qū)域，由于測(cè)船不能靠近，或者因ADCP本身的原因，不能實(shí)測(cè)，我們將之稱為非實(shí)測(cè)區(qū)。 走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理7ADP 實(shí)測(cè)部分和估算部分水面 河底岸邊實(shí)測(cè)部分實(shí)測(cè)部分走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理8水面區(qū)域：厚度為ADCP換能器的入水深度加上ADCP的盲區(qū)。河底區(qū)域：河底界面對(duì)聲波的干擾而造成的盲區(qū)，或者稱之為旁瓣區(qū)。岸邊區(qū)域：由于靠岸邊水較淺，測(cè)量船只不能靠近而造成不能直接測(cè)量。走航式走航式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理9水面、河底區(qū)域的流量可通過實(shí)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)的外延來估算。岸邊區(qū)域的離岸水平距離可采用電子測(cè)距儀器測(cè)量；或者預(yù)先在河中立測(cè)船起止的標(biāo)志桿，預(yù)先已知該距離；每次走航前，將

6、離岸距離值輸入ADCP，同時(shí)輸入岸邊流速系數(shù)根據(jù)測(cè)驗(yàn)規(guī)范，斜坡的系數(shù)為0.670.75, 陡坡的系數(shù)為0.80.9）。岸邊區(qū)域的流量即可測(cè)船起止時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行外延來估算。走航式走航式ADCP測(cè)量范圍測(cè)量范圍型號(hào)型號(hào) RS-3000 RS-1500 RS-1000 RS-500 RS-250頻率頻率 (kHz) 3000 1500 1000 500 250盲區(qū)盲區(qū) (m) 0.2 0.4 0.5 1.0 2.0最小單元尺寸最小單元尺寸 (m) 0.15 0.25 0.4 1.0 2.0最小測(cè)量深度最小測(cè)量深度(m) 0.5 0.9 1.3 3.0 6.0 最大測(cè)量深度最大測(cè)量深度(m) 6

7、25 40 120 180安裝在船舷邊的走航式安裝在船舷邊的走航式 ADCP安裝在船首的走航式安裝在船首的走航式 ADCPXY水流方向走航式走航式ADCP安裝示意圖安裝示意圖SonTek公司走航式ADP測(cè)流的軟件界面 側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理1對(duì)于寬度較小的河流或渠道，側(cè)視式ADCP應(yīng)安裝在河岸或渠壁的基座上。對(duì)于寬河流或渠道，可以安裝在岸邊，也可以安裝在橋墩或其它建筑物側(cè)壁上。兩個(gè)換能器應(yīng)位于同一水平面上，并保證聲波為水平發(fā)射。儀器一般位于水下平均水深的0.6處，并保證離最低水位或河底的距離大于0.3米。側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理2儀

8、器實(shí)測(cè)的是該水層測(cè)量段內(nèi)平均流速, 求出與斷面平均流速的關(guān)系，乘以斷面面積，可計(jì)算得到通過斷面的流量。采用側(cè)視式ADCP測(cè)流可以有兩種流量的計(jì)算方法（1流速面積法（2回歸法側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理3流速面積法：適用于矩形斷面人工渠道，且渠流速面積法：適用于矩形斷面人工渠道，且渠道寬度小于道寬度小于SLSL測(cè)量剖面范圍測(cè)量剖面范圍( (即最大單元長(zhǎng)度即最大單元長(zhǎng)度) )。原則上這種方法不需要進(jìn)行率定。原則上這種方法不需要進(jìn)行率定。回歸法：回歸法是建立回歸法：回歸法是建立SLSL實(shí)測(cè)流速與河流或明實(shí)測(cè)流速與河流或明渠斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系。相當(dāng)于用實(shí)渠斷面平均流速之間的相關(guān)關(guān)系。相

9、當(dāng)于用實(shí)測(cè)資料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行率定。測(cè)資料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行率定。適用于規(guī)則的人工渠道適用于規(guī)則的人工渠道也適用于天然河流也適用于天然河流河寬或渠寬可以大于河寬或渠寬可以大于SLSL測(cè)量剖面范圍。測(cè)量剖面范圍。側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理4 流速面積法：（僅適用于矩形斷面渠道）流速面積法：（僅適用于矩形斷面渠道） 將一矩形斷面明渠過水?dāng)嗝娣殖扇齻€(gè)區(qū)域?qū)⒁痪匦螖嗝婷髑^水?dāng)嗝娣殖扇齻€(gè)區(qū)域假定假定SLSL安裝在右側(cè)渠壁）：安裝在右側(cè)渠壁）：（1 1） 1 1 區(qū)：右側(cè)渠壁附近儀器本身的測(cè)量盲區(qū)區(qū)：右側(cè)渠壁附近儀器本身的測(cè)量盲區(qū)并包括儀器安裝區(qū)；并包括儀器安裝區(qū)；（2 2） 2 2 區(qū)：區(qū)：SLSL流速測(cè)

10、量區(qū)；流速測(cè)量區(qū)；（3 3） 3 3 區(qū)：左側(cè)渠壁附近聲束與渠壁干擾區(qū)，區(qū)：左側(cè)渠壁附近聲束與渠壁干擾區(qū)，干擾干擾 區(qū)一般為渠寬的區(qū)一般為渠寬的1/101/10左右。左右。側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理5流量則為三個(gè)區(qū)斷面平均流速與過水面積的乘積: 式中：Q為流量， A1、 A2、 A3 分別為三個(gè)區(qū)過水?dāng)嗝婷娣e，V1、 V2 、V3 分別為三個(gè)區(qū)斷面平均流速，H 為水深， W1 、 W2、 W3分別為三個(gè)區(qū)的寬度。332211332211VHWVHWVHWVAVAVAQ側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理6 回歸法：回歸法：建立側(cè)視式建立側(cè)視式ADCP實(shí)測(cè)流速與河流或明渠斷面平實(shí)測(cè)流速

11、與河流或明渠斷面平均流速之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。（相當(dāng)于用率定法）均流速之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。（相當(dāng)于用率定法）在進(jìn)行采樣的同時(shí)，用其他方法，如傳統(tǒng)的定點(diǎn)在進(jìn)行采樣的同時(shí)，用其他方法，如傳統(tǒng)的定點(diǎn)測(cè)流法或測(cè)流法或ADCP走航法測(cè)出流量和斷面面積，走航法測(cè)出流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)。從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)。同步采樣需要在不同的流量情況下進(jìn)行同步采樣需要在不同的流量情況下進(jìn)行. 得到一得到一組組V層與層與V斷的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析斷的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(如如采用最小二乘法采用最小二乘法)，即可以得到，即可以得到V層與層與V斷的關(guān)斷的關(guān)系曲線或回歸方程。系曲線或回歸方程。 側(cè)視式側(cè)視式

12、ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理7根據(jù)USGS ，回歸方程的一般形式為：式中：V斷 為斷面平均流速，、 、C 為回歸系數(shù)，H 為水位。 CVHV層斷) (側(cè)視式側(cè)視式ADCP測(cè)量原理測(cè)量原理8在許多情況下， 回歸方程可以簡(jiǎn)化為： 流量由下式計(jì)算： CVV層斷AVQ斷側(cè)視式側(cè)視式ArgonautSL測(cè)量范圍測(cè)量范圍型號(hào)型號(hào) SL-3000 SL-1500 SL-500 頻率頻率 (kHz) 3000 1500 500盲區(qū)盲區(qū) (m) 0.3 0.5 1.0最大測(cè)量范圍最大測(cè)量范圍 (m) 6 22 120安裝在渠道壁上的安裝在渠道壁上的Argonaut - SLSonTek公司公司ArgonautSL的

13、軟件界面的軟件界面?zhèn)纫暿絺?cè)視式 Argonaut - SL 的應(yīng)用的應(yīng)用美國(guó)地調(diào)局USGS應(yīng)用SonTek 公司的ArgonautSL系統(tǒng)十分成功。美國(guó)USGS已經(jīng)采用 SL 取代了前幾年流行的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)。目前，USGD已有 300 多個(gè)水文站采用了 SL作為明渠及河流流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。美國(guó)USGS水文站實(shí)時(shí)流量資料在互聯(lián)網(wǎng)上公布。側(cè)視式側(cè)視式 Argonaut - SL 的應(yīng)用的應(yīng)用SL安裝在荷蘭安裝在荷蘭 Spijkenisse 橋上示意圖橋上示意圖側(cè)視式側(cè)視式 Argonaut - SL 的應(yīng)用的應(yīng)用流量、水流量、水 質(zhì)質(zhì) 監(jiān)監(jiān) 測(cè)：總量控制測(cè)：總量控制流量pH溶解氧濁度溫度硝

14、酸鹽銨鹽葉綠素鹽度水位座底式座底式 ADCPXR 淘金者XR型聲學(xué)多普勒流速儀三維、底部按裝三維、底部按裝垂向平均垂向平均可達(dá)可達(dá) 15m 的測(cè)量范圍的測(cè)量范圍自動(dòng)跟蹤水位自動(dòng)跟蹤水位 (動(dòng)態(tài)調(diào)動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)量水體）整測(cè)量水體） 座底式座底式 ADCPXR的測(cè)量方式的測(cè)量方式Cell BeginCell EndWater SurfaceCell BeginCell EndWater SurfaceCell BeginCell EndWater SurfaceCell BeginCell EndWater SurfaceCell BeginCell EndWater SurfaceCell BeginCell EndWater Surface深度平均深度平均流速流速設(shè)定某層設(shè)定某層面的流速面的流速XR 自動(dòng)跟