ADCP测流原理及方法(二)~ 哪些因素影响ADCP测流

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四、仪器与准备

ADCP采集数据之前,制订好标准的步骤对精确有效地采集数据非常重要。此外,需要确定仪器本身工作正常,以及确认该环境下ADCP是否为最适合的数据采集设备。充分的准备工作可以减少现场工作时间,保证数据采集的精度。做好数据存档,方便未来使用和检索。

(一)数据管理

ADCP配套软件可以生成许多文件。这些文件的存储方式对用户来说非常重要,可以方便轻松地找到文件位置、日期,以及数据存储类型。因为电子数据的易变性,需要适当进行备份和存档。数据管理信息都必须依照相关规定记录于官方的地表水质量保证计划中。

命名惯例

数据文件的命名必须一致且唯一,可描述数据的基本信息。文件名的描述性文字可以是现场序号、现场名称、测量序号、项目名称、项目序号以及日期。通常,ADCP数据采集软件会在用户自定义名称后增加一个后缀用于区分数据的类型(配置信息、原始数据、ASCII码等),以此确保名称的唯一性。

数据存储与归档

如果相关部门有现存的系统和流程用于备份和永久归档服务器上的电子信息,那么可以在此基础上补充或修改测流文件存储的相关政策,以此规范测流电子文件的永久存储和归档。政策应该详细说明文件和索引的命名规则、服务器的索引结构,在数据采集后多长时间内必须存储于服务器中,以及服务器数据在何时何地以何种方式会归档于固定存储器中。USGS的地表水信息归档部门在2005年8月(U.S. Geological Survey. 2005a)详细描述了归档方法。建议相关部门把纸质测量笔记扫描成电子格式同现场数据一同存储,并根据相关政策与其他测流文件一同存储。测量工作中,应建立专有的测流数据文件目录,包含采集的或创建的所有文件。这些文件包括但不限于原始数据、设置信息、动底测试、仪器检测、罗经校准等。归档目录下的文件应使用测量序号、测量数据、水文年、地点、设备类型以及其他政策规定的信息进行组合命名。

(二)人员培训

虽然现在的ADCP系统越来越智能化,但是学习声学知识、ADCP的操作方法以及采集软件非常重要,能够确保尽可能采集到最好的数据。各部门极力鼓励ADCP作业者参加更多的培训课程、短期课程和研讨会等,以此了解水声仪器和软件的最新信息。USGS水声学网页(http://hydroacoustics.usgs.gov)提供了很多信息包括培训、研讨会、短期课程和最新的设备、软件和测量方法。

(三)仪器与现场注意事项

任何现场的信息,比如根据前次测量得知的最大水深和流速,可以作为选取和配置ADCP的基本参照信息。在进行测量之前应该先参考上次的测量条件和测量数据。

ADCP的限制因素

换能器产生的声信号在水中进行传播、吸收、衰减以及背向散射等,它的物理性质决定了ADCP的特性和其工作限制。本报告将讨论ADCP的限制因素,包括颗粒物对背向散射的声能和底跟踪的影响,以及因换能器吃水、振铃效应以及旁瓣因素所不能测量的剖面区域。另外,仪器声信号的配置和处理技术也是限制ADCP测量的因素。

  • 颗粒物的影响


水中颗粒(比如沉积物和水生物)的数量以及特性会大大影响ADCP的测量效果。纯水中无声学性能,因为没有悬浮颗粒反射声波。为了能够进行测量,水中必须含有足够的颗粒,可以将声波返回到ADCP。所以,在很多清澈的小溪中,可能由于颗粒物的含量不足,ADCP便不能正常测量流速。水体浑浊通常发生于高流速情况下,此时由于河床底部颗粒物含量很高,ADCP判底困难,导致水深值不准确,或者船速测量错误。另外,水中颗粒物浓度高会引起声波的衰减,难以穿透水体反射至换能器,影响ADCP的测量效果。颗粒物浓度对ADCP测量产生的影响已被验证,但还无法量化。影响取决于以下因素:颗粒物属性、水深、设备频率。一般来说,低频设备在水中传播的能量更大,因此在颗粒物浓度高的环境下低频穿透的效果要比高频要好。

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图3  WinRiver II 软件中的强度—剖面图显示,因水中颗粒物造成(A)过多的背向散射 (B)过多的衰减

在高流速情况下,由于河床底部颗粒物运动的关系,会引起底跟踪对船速判断的偏移。底跟踪是假设河床是静止的情况下测量船速的方法。由于河床底部颗粒物的运动,底跟踪在收发中会引起多普勒频移,导致测量到的船速向上游方向偏移。这种现象经常被描述为动底。如果一个ADCP在有动底的河流里静止放置,那么根据底跟踪测得的ADCP运动轨迹是向上游方向运动而非静止的。动底情况下,测量的流速和流量都会偏小。高频设备比低频设备更容易受到动底的影响。现在可以判断动底是否存在(后面讨论),但还无法用仪器对动底进行量化测量。如果判断动底存在且仪器配有罗经,建议使用GPS来测量船速。如果现场不适合使用GPS,又没有罗经或不能够获得截面的正确艏向值,那么可以采用其他方法对动底影响进行测量修正(参见附录B)。

  • 剖面无法测量的区域


ADCP被称为剖面仪是因为它们可以测量整个水体的速度。ADCP将水体分成多个深度单元层(有些软件和文献称其为“bin”),每层都可测量速度。但是因为仪器的吃水和固有盲区,ADCP并不能测量表层流速。因为旁瓣干扰的原因,也不能测量河底流速。

无法测量的表层区间长度取决于仪器安装的吃水、换能器的结构和仪器周围的水流干扰。ADCP必须安装于水面以下,因此无法测量换能器上方的水体流速。仪器需要一定的吃水深度,因为在测量过程中要避免设备漏出水面,从而避免设备下方夹带空气。所需吃水深度与仪器的支架形状、船只本身以及相对流速(仪器周边的流速)有关。

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图4  ADCP的波束类型和每个剖面的未测量区域(Simpson,2002)

ADCP用同一个换能器发射和接受声波。当向换能器供能时,它开始振动产生声波。当停止向换能器供能时,换能器并不能马上停止振动,而是随着时间逐渐减弱。换能器的持续振动称为振铃(Ringing),可能与换能器的外壳及ADCP的安装有关。这种效应好比敲响一个大锣,有时锣需要振动几分钟才能停止。换能器振动停止得比锣快,但是当换能器的振铃减少到可以正常接收反射声信号的时候,声波已经传输了一段距离。换能器振铃停止所需的时间内声波传输的距离被称为最小盲区。它与频率(一般低频仪器有更长的盲区)、换能器外壳有关,盲区一般从1.82cm到1米。

因仪器和支架引起的水流干扰也是一个重要的影响因素,也决定了测量的结果精度。现场数据和数字模型分析后建议,对于常规安装,TRDI公司的Rio Grandes和StreamPros的盲区分别为25cm和3cm,此时的水流干扰可以被接受。TRDI RiverRay在标准自适应模式下可以调节盲区,因此换能器到第一层中心的距离一直为25cm,此时的水流干扰可以被接受。数字模型和现场数据的分析得出(截止至2013),距离SonTek/YSI RiverSurveyor M9底部20cm内水流干扰会对测量数据有影响。尤其是在SmartPulseHD模式3MHz频率应用下更明显,因为在这样的距离内会采集到几层数据。在浅水环境下(<91cm),由于河床对ADCP下方水流的影响,干扰范围被减少到15.8cm。在M9下方15.8cm内的数据被认为偏低,可以利用RiverSurveyor Live软件下的“屏蔽距离(screening distance)”功能将有偏差的数据消除。(注意:目前RiverSurveyor Live文件表明“screening distance”从换能器下方算起,实际上软件会从水面开始计算,所以必须将屏蔽距离设为吃水的距离加上15.8cm来消除换能器15.8cm内的数据)。虽然没有针对RiverSurveyor S5建立模型,但从现场数据分析看并没有明显偏差。以上所有的分析都是基于标准安装的前提下。安装的方法和现场情况将影响水流干扰的范围(Mueller and others, 2007)。

ADCP因为旁瓣干扰的原因并不能测得河床附近的流速(图4)。大多数换能器都采用当下声学主波束附着旁瓣波束的技术。旁瓣波束的能量比主波束弱的多。与发射的能量比,主波束经过水体颗粒背向散射后的能量非常微弱。与水体颗粒物散射相比,河床能反射更高比例的声学能量。旁瓣波束被河床反射后的强度与主波束在水体中背向散射的强度非常相近,导致多普勒频移的测量存在潜在误差。水体受到旁瓣干扰的区域范围为:20度系统下为6%,30度系统下的13%。

用于配置和处理声学信号的频率和技术决定了测量的最大深度和最小深度。低频ADCP一般比高频ADCP测量得更深,但是单元层数更厚,盲区也更大。一些ADCP的工作模式决定了第一层和最后一层有效单元的位置以及可接受的单元层厚。但是因为吃水深度、盲区和旁瓣干扰,ADCP不能测量水体的表层和底层,这些区间的流量需要用已测得水体数据估算。因此,建议水体的分层数最少不小于2个。对于在浅水工作中的仪器来说,它受到吃水深度、盲区、第一层位置、最后一层位置、层厚、和旁瓣干扰范围这些因素的共同影响。


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白小禾
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