聲學(xué)多普勒流速剖面儀在水文站中的應(yīng)用

鄭念發(fā)，鄒曉天，高宇峰，李迎春

（吉林省水文水資源局吉林分局，吉林 吉林市 132013）

傳統(tǒng)的河流流量測(cè)驗(yàn)儀器主要采用的是流速儀，故稱為流速儀法。流速儀法廣泛應(yīng)用于人工船測(cè)，橋測(cè)，纜道，涉水測(cè)量等。這種傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方式費(fèi)工，費(fèi)時(shí)，效率低。

用聲學(xué)多普勒流速剖面儀進(jìn)行河流流量測(cè)驗(yàn)，是近十幾年才發(fā)展起來(lái)并得到越來(lái)越多應(yīng)用的新的流量測(cè)驗(yàn)方法。聲學(xué)多普勒流速剖面儀流量測(cè)驗(yàn)方法的發(fā)明，被認(rèn)為是河流流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域的一次革命。當(dāng)裝備有聲學(xué)多普勒流速剖面儀的測(cè)船從測(cè)流斷面一側(cè)航行至另一側(cè)時(shí)，聲學(xué)多普勒流速剖面儀即刻測(cè)出河流流速分布并算出流量。它比傳統(tǒng)的河流流量測(cè)驗(yàn)方法提高效率幾十倍。它的應(yīng)用標(biāo)志著河流流量測(cè)驗(yàn)的現(xiàn)代化。聲學(xué)多普勒流速剖面儀分為走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀和固定式聲學(xué)多普勒流速剖面儀。

1 流量測(cè)驗(yàn)原理

從理論上講，聲學(xué)多普勒流速剖面儀流量測(cè)驗(yàn)原理與傳統(tǒng)流速儀法相同。聲學(xué)多普勒流速剖面儀方法和傳統(tǒng)流速儀法都將測(cè)流斷面分成若干子斷面，在每個(gè)子斷面內(nèi)垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速并測(cè)量水深，從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量。再將各個(gè)子斷面的流量疊加得到整個(gè)斷面的流量。然而，與傳統(tǒng)流速儀相比，聲學(xué)多普勒流速剖面儀方法有如下不同：

（1）傳統(tǒng)流速儀法是靜態(tài)方法，流速儀是固定在測(cè)點(diǎn)的，聲學(xué)多普勒流速剖面儀方法是動(dòng)態(tài)方法，聲學(xué)多普勒流速剖面儀在隨測(cè)船運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

（2）應(yīng)用傳統(tǒng)流速儀法時(shí)，由于采樣費(fèi)時(shí)，通常不可能將子斷面劃分的很細(xì)，垂線流速測(cè)量點(diǎn)也不可能很多。而應(yīng)用聲學(xué)多普勒流速剖面儀時(shí)，由于聲學(xué)多普勒流速剖面儀采樣速率很高，可以將子斷面劃分的很細(xì)，垂線流速測(cè)量點(diǎn)也可以很多。

（3）傳統(tǒng)流速儀法要求測(cè)流斷面垂直于河岸。聲學(xué)多普勒流速剖面儀方法不要求測(cè)流斷面垂直于河岸。測(cè)船航行的軌跡可以是斜線或曲線。

（4）為了計(jì)算流量，聲學(xué)多普勒流速剖面儀在走航中測(cè)量如下數(shù)據(jù)：

①相對(duì)流速(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測(cè)船航行軌跡 (由船速和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)算出，或由GPS測(cè)出)。

在進(jìn)行斷面流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，聲學(xué)多普勒流速剖面儀實(shí)際測(cè)量的區(qū)域?yàn)閿嗝娴闹胁繀^(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為聲學(xué)多普勒流速剖面儀實(shí)測(cè)區(qū)。而在4個(gè)邊緣區(qū)域內(nèi)聲學(xué)多普勒流速剖面儀不能提供測(cè)量數(shù)據(jù)或有效測(cè)量數(shù)據(jù)。第一個(gè)區(qū)域靠近水面(表層)，其厚度大約為聲學(xué)多普勒流速剖面儀換能器入水深度，聲學(xué)多普勒流速剖面儀盲區(qū)，以及單元尺寸一半之和。第二個(gè)區(qū)域靠近河底，稱為旁瓣區(qū)。其厚度取決于聲學(xué)多普勒流速剖面儀聲束角。例如對(duì)于聲束角為20度的聲學(xué)多普勒流速剖面儀，相應(yīng)的旁瓣區(qū)厚度大約為水深的6%。第3和第4個(gè)區(qū)域?yàn)榭拷鼉蓚?cè)河岸的區(qū)域，因其水深較淺，測(cè)量船不能靠近或者聲學(xué)多普勒流速剖面儀不能保證在垂線上至少有一個(gè)或兩個(gè)有效測(cè)量單元。這四個(gè)區(qū)域通稱為非實(shí)測(cè)區(qū)。其流速過(guò)流量需通過(guò)實(shí)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)外延來(lái)估算。

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 吉林水文站基本概況

吉林水文站始建于1933年，位于吉林市松江中路，是第二松花江干流控制站，控制流域面積44060 km2，防汛位置十分重要。

2.2 實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

吉林水文站在實(shí)際應(yīng)用聲學(xué)多普勒流速剖面儀的過(guò)程中，結(jié)合儀器使用說(shuō)明書(shū)，逐步摸索出該儀器的使用性能，及應(yīng)注意的事項(xiàng)：

（1）船速越慢精度越高，一般船速不超過(guò)最大流速。如果想得到最佳的測(cè)量結(jié)果，測(cè)船的速度不要大于河水的流速。需要指出，開(kāi)始時(shí)船頭要朝著逆流方向航行，在橫越河流斷面時(shí)再慢慢糾正航向，這樣可以保持測(cè)船的斷面航跡到對(duì)岸時(shí)的流量數(shù)據(jù)采集。

（2）測(cè)量斷面的選擇仍然應(yīng)遵照水文調(diào)查規(guī)范的要求。

（3）在未知河段測(cè)量時(shí)，應(yīng)先預(yù)測(cè)一次，然后將測(cè)得的河床深度、形狀及流速大小輸入到“設(shè)置向?qū)А敝校栽O(shè)置合適的測(cè)量參數(shù)。

（4）對(duì)于岸邊聲學(xué)多普勒流速剖面儀不能測(cè)驗(yàn)區(qū)域的水面距離，必須采用電子測(cè)距儀器，測(cè)繩，或者其它能夠精確測(cè)量距離的儀器。在開(kāi)始及結(jié)束(“有效層數(shù)”不小于2層)時(shí)測(cè)量的岸邊，船應(yīng)稍停留片刻，以便獲得用于計(jì)算岸邊流量的10個(gè)平均數(shù)據(jù)。

（5）認(rèn)真測(cè)讀換能器吃水深度、儀器離岸邊距離，和岸邊坡度系數(shù)等數(shù)據(jù)，并將信息及時(shí)傳輸給程序操作人員。

（6）當(dāng)水深較淺、或漂浮物較多時(shí)，應(yīng)密切觀察儀器運(yùn)行情況，避免采集數(shù)據(jù)丟失，儀器損壞。

（7）對(duì)于流量穩(wěn)定的河流，至少要進(jìn)行兩個(gè)測(cè)回（4次）測(cè)量，來(lái)回各兩次。取4次測(cè)量的平均值作為實(shí)測(cè)流量，4次測(cè)量值中任一個(gè)與平均值之差應(yīng)小于5%。

2.3 聲學(xué)多普勒法與流速儀法比測(cè)實(shí)驗(yàn)

按照“聲學(xué)多普勒測(cè)驗(yàn)規(guī)范”的要求和“流速儀法的測(cè)驗(yàn)規(guī)范”要求同步完成流量測(cè)驗(yàn)15次，根據(jù)兩種不同測(cè)驗(yàn)方法的測(cè)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析得出如下結(jié)論：

聲學(xué)多普勒法與流速儀法比測(cè)相對(duì)誤差，13次控制在3%以內(nèi)，2次控制在5%以內(nèi)，其測(cè)驗(yàn)精度滿足GB50179-93《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定一類精度的水文站高中低水的總隨機(jī)不確定為5%，6%，9%的要求。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，吉林水文站水位在186，30 m左右，流量在320 m3/s左右，水面寬在450 m左右，流速在0.85 m/s時(shí)，用流速儀法施測(cè)，需要測(cè)驗(yàn)人員5人，耗時(shí)70 min左右；用聲學(xué)多普勒流速剖面儀施測(cè)，只需3人，耗時(shí)35 min左右，用聲學(xué)多普勒流速剖面儀法比流速儀法大大節(jié)省了人力，節(jié)省了時(shí)間，提高了流量測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性。另外，流速儀法施測(cè)流量，需要設(shè)立固定的主索鋼架，固定的測(cè)驗(yàn)斷面，對(duì)于水深、流速都有約束，而聲學(xué)多普勒流速剖面儀法卻不受環(huán)境限制，水深、流速的測(cè)量范圍都較寬，可以施測(cè)超過(guò)20 m/s的流速，和最大可達(dá)75 m的水深，聲學(xué)多普勒流速剖面儀可以廣泛的應(yīng)用到“特大洪水”和“突發(fā)水事件”的應(yīng)急流量測(cè)驗(yàn)，方便、快捷，提高時(shí)效性，還可節(jié)省大量的人力物力。

2.4 實(shí)際中存在的問(wèn)題和建議

吉林水文站通過(guò)一年多時(shí)間學(xué)習(xí)和使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀，在掌握了其流量測(cè)驗(yàn)技能同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面；

（1）低水時(shí)船速難以小于水流速度，但為了了解儀器性能，分別在實(shí)驗(yàn)中特將船速高于水流速度2～3倍。（均勻加速）時(shí)所取得的資料的結(jié)果表明，還是能達(dá)到要求的精度，但必須保證換能器不要露出水面。

（2）在數(shù)據(jù)回放后，都會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)新的內(nèi)容與原始相同的配置文件。

（3）流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有最大流速、最大水深等重要水文數(shù)據(jù)。

（4）施測(cè)中，偶有單個(gè)數(shù)據(jù)采集不到，可能是換能器瞬間露出水面引起的。

（5）在一次完整流量測(cè)驗(yàn)中，雖然流量能滿足要求，但各個(gè)測(cè)回的面積相差很大，可能是每次航跡不同所致，因此需要在斷面兩岸分別設(shè)置標(biāo)志，使船舶駕駛員根據(jù)標(biāo)識(shí)保持預(yù)定斷面航行。

[1]GB50179-93.河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].

[2]SL337-2006.聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].