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走航測(cè)量斷面流量的原理

來源:廣州佰微儀器科技有限公司   2025年06月30日 10:39  

一次流量的走航測(cè)量可以分成三個(gè)部分:開始河岸、走航實(shí)測(cè)斷面、結(jié)束河岸。

走航測(cè)量斷面流量的原理

走航實(shí)測(cè)斷面部分還可以進(jìn)一步地分成:水面估算部分、中間部分(或者稱之為測(cè)量面積)、河底估算部分。

走航測(cè)量斷面流量的原理

因此,總流量是由開始河岸部分、水面估算部分、實(shí)測(cè)面積部分、河底估算部分、結(jié)束河岸部分,這五個(gè)部分的流量之和計(jì)算得到。其中,只有中間的實(shí)測(cè)面積部分是通過聲學(xué)多普勒剖面儀測(cè)量得到的。應(yīng)該注意到:所有其它的面積流量是通過由水文部門推薦和證明了的方法估算得到的,這一點(diǎn)是非常重要的。


將總流量的計(jì)算分成幾個(gè)部分的原因,是由于聲學(xué)多普勒剖面儀本身的局限性造成的。聲學(xué)多普勒剖面儀之所以不能完整地測(cè)量到整個(gè)斷面流量的原因是:

① 所有的多普勒剖面儀都有一個(gè)最小測(cè)量水深的限制。當(dāng)斷面的水深小于該限制的數(shù)值時(shí),該剖面的流速以及流量都需要根據(jù)河岸邊最后一條剖面的流速和水深進(jìn)行估算。開始河岸和結(jié)束河岸的部分流量是通過這種方法進(jìn)行計(jì)算的。

② 儀器的安裝入水深度,再加上從剖面儀探頭到開始有流速測(cè)量數(shù)據(jù)處之間的距離(通常,我們稱之為盲區(qū)),使得離開水面有一部分的面積是沒法測(cè)量到的。這一部分的面積,稱為水面估算部分。

③ 靠近河底的最后測(cè)量單元會(huì)受到“損傷”(例如:該單元可能部分或全部觸到了河床),或者測(cè)量剖面的最后剖面會(huì)受到波束的旁瓣干擾,使得靠近河底的一部分面積無法測(cè)量到。這一部分的面積,稱為河底估算部分。


因此,如何計(jì)算這些估算部分和邊界部分的流速和流量呢?

一種稱為“剖面流速外延法”用來估算水面和河底未測(cè)量部分的流量。這種理論研究用以建立垂直剖面流速分布的模型,可以用于計(jì)算這些部分的流速以及流量。

剖面流速外延法是使用剖面流速的冪函數(shù)公式。這個(gè)公式是由陳(1991 年)、辛普森和曼寧(1990 年)發(fā)明的。我們就是采用這個(gè)公式來計(jì)算實(shí)測(cè)部分以上和以下部分的流速和流量。

走航測(cè)量斷面流量的原理

公式中 ——

u 是指在從河底算起的水深 z 位置的流速;

u* 是指河底的流速;

z0 是指河底的高程;

b 是一個(gè)常數(shù)(根據(jù) 1991 年 陳發(fā)明的公式,該常數(shù)為1/6 )。

若要采用這個(gè)公式,則有一個(gè)假設(shè):剖面范圍內(nèi)的流速是穩(wěn)定的,流向是相同的。如果河道的實(shí)際情況并非如此的話(例如:層流速不一致,或者同一個(gè)垂線剖面有雙向流等),就必須采用另一種外延的推流方法,我們?cè)赗iverSurveyor Live 軟件中已經(jīng)采用了這種方法。在默認(rèn)的情況下,RiverSurveyor Live 軟件中是采用了 1/6 冪函數(shù)定理來計(jì)算流速剖面,根據(jù)整個(gè)剖面中的實(shí)測(cè)流速來計(jì)算水面上層和河底下層,這二個(gè)不能實(shí)測(cè)部分的流速。

現(xiàn)在,我們有了水面和河底估算出來的流速。而每個(gè)部分的流量則是根據(jù)流速、水深、測(cè)船橫跨斷面的距離等計(jì)算而得的。

開始河岸和結(jié)束河岸部分的流量是根據(jù)停住在岸邊時(shí)(相對(duì)靜止)實(shí)測(cè)到的剖面平均流速而計(jì)算得到的。有一點(diǎn)很重要,即:必須讓測(cè)船盡可能地靜止在岸邊的地方。這時(shí)測(cè)量得到的剖面平均流速乘以一個(gè)系數(shù)作為該河岸部分的平均流速;根據(jù)岸邊的形狀,選擇是斜坡還是陡岸,再根據(jù)實(shí)測(cè)流速處的水深算出該岸邊的面積;從而計(jì)算出該面積的流量。

在實(shí)測(cè)斷面部分,是根據(jù)實(shí)測(cè)的水深、測(cè)船航行的距離、和剖面的平均流速計(jì)算出該部分的流量。在測(cè)量過程中,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)船在航行中航跡的方向和航速改變引起的偏差。

另外,還需要指出的是,計(jì)算機(jī)和手機(jī)的軟件在整個(gè)測(cè)量過程中,可以監(jiān)視測(cè)量的每一步,并自動(dòng)計(jì)算流量。

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