聲學多普勒流速剖面評價方法介紹與探討

趙 越，英小勇

（水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

聲學多普勒流速剖面儀（簡稱剖面儀）是 20 世紀 80 年代初發(fā)展起來的一種新型測流設(shè)備。它利用多普勒效應(yīng)原理進行流速測量，用聲波換能器作傳感器，并發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物或氣泡等反散射體反射，再由換能器接收信號，經(jīng)測定多普勒頻移變化而測算出流速。剖面儀具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大并能直接測出斷面的流速剖面等特點。目前被廣泛用于海洋和河口的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速及流量測驗。

目前，國內(nèi)僅水文系統(tǒng)就有接近 300 臺剖面儀測流設(shè)備在各個水文測驗現(xiàn)場使用。然而盡管應(yīng)用廣泛，但是目前行業(yè)內(nèi)尚無可廣泛被接受的用于剖面儀檢定或校準的相關(guān)產(chǎn)品檢定規(guī)程及標準，也無國家或行業(yè)行政部門認定/認可的標準測試平臺和檢定設(shè)備。由于剖面儀的工作原理及測量特點與傳統(tǒng)測流儀器存在較大的差異，因此不能簡單采用過去點流速儀的檢驗/校準方法來全面評價剖面儀。本文通過介紹目前國外采用的一些剖面儀評價方法，探討國內(nèi)利用流速儀檢定水槽來檢定剖面儀測流設(shè)備的校準方法的可行性。

1 剖面儀的主要評價方法

1.1 設(shè)備比測

比測是被測儀器與其它更精確的檢定工具同時或接近同時進行比較測量。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的洛曼[1]（1994，USGS），佛加瑞、特羅布里奇（1998，USGS）進行過剖面儀與 ADV（超聲多普勒流速儀）、LDV（激光多普勒流速儀）的比測試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)剖面儀與 ADV、LDV 的誤差在 1 % 之內(nèi)。奈斯特（2002，USGS）在 1 條寬 1.8 m、深 0.9 m 的動水槽的實驗結(jié)果證明，剖面儀測速相對 ADV 測量結(jié)果誤差不大于 1 cm/s。

這種試驗方法的優(yōu)點是水槽中流速和其它相關(guān)量較精確，但存在懸浮物不足導(dǎo)致反射強度較弱，同時存在槽底及槽壁反射問題，可能導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。雖然流速可準確調(diào)節(jié)，但由于水深限制很難獲得較高速度的測試條件。

1.2 底跟蹤基線比測

阿普爾（1988，USGS）在湖面布置一固定基線進行剖面儀測試，分別設(shè)置 200、1000 m 等 2 條路線。將剖面儀架設(shè)于船體勻速定向 2 次往復(fù)測試。通過剖面儀底跟蹤測量數(shù)據(jù)與已知距離的比較判斷剖面儀測量誤差。這種方法可迅速判斷現(xiàn)場應(yīng)用的剖面儀是否存在偏差，通常用于剖面儀生產(chǎn)廠家檢查聲束對中誤差。

1.3 斷面流量比測

USGS 已經(jīng)對剖面儀與已有設(shè)備如 Price AA 型轉(zhuǎn)子式流速儀在美國 11 處斷面進行流量比測，通過測驗表明剖面儀測驗相對 Price AA 型轉(zhuǎn)子式流速儀有著 5 % 的誤差[2]。我國各水文測驗單位也進行過多次類似比測試驗，如 2001年5 月在嘉興市青陽匯水文站感潮河段的測流斷面進行了固定式水平 ADCP 與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀的同步比測試驗工作。采用 “淘金者”－SL 測得的層平均流速，與用纜道的測流代表垂線實測的垂線平均流速進行比測。經(jīng)過 7 d 的試驗，將近 1000 測次比測的數(shù)據(jù)進行回歸分析后，其結(jié)論是：2 者之間誤差小于 10 % 的上線率達到 85 % 以上，符合水文測驗規(guī)范的要求。

斷面流量比測因采樣面積存在差異：轉(zhuǎn)子式流速儀測流采樣面積不超過 3 %，而剖面儀采樣面積 20 %～60 %，2 者相差懸殊，流量測驗結(jié)果的比較具有不確定性。2 者測驗時間也有明顯差異，剖面儀與轉(zhuǎn)子式流速儀斷面測驗時間不同，常常因為 2 者測驗時間的不同導(dǎo)致流量測量結(jié)果千差萬別。

2 美國 USGS 利用靜水槽評價剖面儀的方法

USGS 與南佛羅里達水資源管理局在美國海軍戴維泰勒水面戰(zhàn)實驗中心船舶模型試驗水池進行剖面儀檢定試驗。美國國家海洋大氣局定期使用該船舶模型試驗水池校準剖面儀。USGS 于 2000年3月13～16日使用該水槽評價剖面儀，USGS 通過該試驗達到以較低的成本確保 USGS 流量測驗業(yè)務(wù)質(zhì)量水平的目的。

2.1 戴維泰勒模型水槽

戴維泰勒船舶模型水槽試驗水池擁有 2 個拖曳水池，其中 1 條長 760 m，寬 15 m，深 5.5 m。該水池已經(jīng)被分成 2 段，1 段長 260 m，另 1 段長約 500 m。這次試驗是在 260 m 長的水池中進行的。

2.2 試驗方案

試驗程序由以下 4 部分組成：

1）在校正車上架設(shè)剖面儀；

2）水槽中均勻播撒粉末石灰粉；

3）校正車每次正反行程運行，抵消水槽中紊流的影響；

4）將剖面儀測量值與檢測車速值同時存入計算機。

2.3 試驗過程

在水槽中測試剖面儀，水體中必須有足夠的反射物質(zhì)，如果反射物質(zhì)濃度不足（反射強度小于 35 db）或反射物質(zhì)濃度分布不勻，都會帶來顯著誤差。在試驗期間，每天都在校正車上播撒石灰粉末以提供適當?shù)姆瓷湮镔|(zhì)，后期采用石灰漿噴霧方法進行相關(guān)試驗[3]。

共有 5 臺剖面儀參與了本次戴維泰勒模型試驗池的試驗。具體型號規(guī)格為：SonTek3 Argonaut SL ADP（3 MHz）、SonTek ADP、RD Instruments Rio Grande 剖面儀（600 kHz）、RD Instruments Broadband 剖面儀（1200 kHz）和 RD Instruments生產(chǎn)的 prototype 3-beam horizontal 剖面儀（600 kHz）。試驗中獲得 2 個測量參數(shù)即水層跟蹤和底跟蹤速度。

2.4 實驗結(jié)果

校驗車平均車速，包括正行程和反行程平均車速，實驗數(shù)據(jù)表見表1。在 41 cm/s 車速下，1200 kHz逆向運行未獲得有效數(shù)據(jù)，所以本次測量只有正向運行數(shù)據(jù)。

表1 戴維泰勒模型試驗池試驗數(shù)據(jù)表

校正車車速與剖面儀底跟蹤速度的平均差為- 0.21 cm/s，校正車車速與剖面儀水跟蹤速度的平均差為 - 0.15 cm/s。底跟蹤和水跟蹤各自的平均差為 - 0.76 % 和 - 0.70 %。這些測量結(jié)果接近剖面儀的預(yù)期誤差。通過實驗發(fā)現(xiàn)剖面儀測速值均小于車速值，從上述檢定結(jié)果看來該系統(tǒng)可有效評價剖面儀。

有趣的是，600 kHz 的剖面儀底跟蹤速度平均差為 -0.62 cm/s，而水跟蹤平均差為 0。正常的測量結(jié)果應(yīng)當是底跟蹤測量結(jié)果精度要高于水跟蹤。其誤差并沒有隨速度增加而增加。

雖然測試結(jié)果比較理想，但是仍存在以下問題：

1）拖曳水槽中大量的金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)致測量偏差，通過數(shù)據(jù)分析，電子羅盤存在明顯的擾動；

2）側(cè)壁（槽底、槽壁）存在明顯反射，這可能導(dǎo)致底跟蹤的測量誤差；

3）最重要的是反射信號的時間空間的不均勻性。背景反射從 43 ～52 db，而一般的河流測量結(jié)果在背景反射測量結(jié)果差異不大于 3 db。

3 利用國內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評價剖面儀的方法

為完成剖面儀評價工作，國內(nèi)技術(shù)機構(gòu)先后在陜西和山東的水文局水槽進行了剖面儀底跟蹤測試試驗，取得一定測試數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)已有流速儀檢定水槽 11 條，利用現(xiàn)有條件完成對剖面儀的評價，水槽寬度、深度均劣于美國海軍戴維泰勒水面戰(zhàn)實驗中心船舶模型試驗水池。若想獲得更好的檢定效果，可針對 USGS 經(jīng)驗優(yōu)化設(shè)計實驗方案。

3.1 消除側(cè)壁反射和背景反射差異

可參考消聲水池在水槽側(cè)壁布設(shè)吸音橡膠。采用合適散射物質(zhì)，提高剖面儀反射信號的時間空間的均勻性。橡膠是一種粘彈性高分子材料，內(nèi)耗相對較大，基體橡膠的相對分子質(zhì)量分布可調(diào)，能適應(yīng)各種頻率聲波的吸收。橡膠材料的吸聲率與聲波的頻率有明顯關(guān)系。吸聲橡膠圓錐是水聲工程用消聲水池和循環(huán)水槽的重要組成部分，主要用于消除水槽壁、水面的水聲反射，以便提高聲場的分布均勻性和穩(wěn)定性，減小聲測量的系統(tǒng)誤差。目前，德國采用石墨填充聚己丁烯制備水聲消聲材料；日本采用紅松木制作吸聲尖劈；美國采用鋁粉填充 IIR 制備吸聲橡膠圓錐池?；诔杀镜囊蛩亓魉賰x檢定水槽不可能全槽布設(shè)吸引橡膠，但可在有效檢定段部分布設(shè)。

3.2 提高水槽反射強度

國內(nèi)目前提高水槽反射強度的辦法與 USGS 基本相似，即加入石灰或石灰漿，但這種辦法存在著以下弊端：

1）加入石灰后水體呈堿性，且含有大量顆粒物；水槽中添加石灰后，整池水均需更換，且需對槽體進行清潔處理。

2）加入石灰汾或石灰水，顆粒均勻性差，且隨時間變化，其不同水層濃度也隨之變化。

為了克服以上缺點，可采用氣泡作為超聲波反射物質(zhì)。

基于瑞利散射原理可知后向散射強度（Sv）為：

式中：Csm為懸浮物濃度；k 為剖面儀僅發(fā)射聲波的波數(shù)；? a3? 為懸浮物粒徑 3 次方的均方根；ρs為懸浮物密度；γ定義為物質(zhì)常數(shù)，是顆粒物彈性和密度的函數(shù)。

假設(shè)觀測期間懸浮物的粒徑、密度及其他物理性質(zhì)保持穩(wěn)定，體積后向散射強度與懸浮物濃度的對數(shù)成線性關(guān)系。由式（1）可知將水槽中懸浮物濃度穩(wěn)定提高較高水平即 ADCP 反射信號空間與時間上均勻性。

剖面儀所能探測到的懸浮物的粒徑有上限，超過上限測量誤差將增長；另一方面，不同發(fā)射頻率的剖面儀對懸浮物粒徑的敏感程度也不一樣，一般認為剖面儀對 kaS（散射體半徑與入射聲波波數(shù)比值）值在 0.01～0.10，所對應(yīng)的懸浮顆粒物粒徑具有較強的敏感性[4]，在此范圍內(nèi)顆粒直徑越大，剖面儀測量敏感度越高。對于本次觀測使用的 600 kHz 剖面儀當 kaS等于 1 時，其對應(yīng)的懸浮物粒徑為 800 μm，所以對該頻率剖面儀所能探測到的氣泡直徑以 8～80 μm 為宜。通過在水槽槽底、側(cè)壁布置氣管的方式產(chǎn)生均勻及細密的氣泡，提供足夠的反射物質(zhì)。

以上均基于瑞利長波散射模型理論推導(dǎo)，通過改變氣泡密度、濃度、直徑等要素可獲得剖面儀與以上要素的敏感關(guān)系，可為開展剖面儀檢定工作打下良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過 USGS 的大量實踐，可初步確定利用水文現(xiàn)有的技術(shù)手段可以有效評價剖面儀的流速性能，面對我國水文領(lǐng)域剖面儀日益廣泛應(yīng)用的局面，有必要在我國現(xiàn)有水文基礎(chǔ)設(shè)和技術(shù)手段條件下探索合理、高效的剖面儀評價方法。除了目前廣泛開展的斷面流量比測方法外，還可通過設(shè)施改造和試驗方法研究利用國內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評價剖面儀流速性能。

[1]Lohrmann, A., Cabrera. R., and Kraus, N.C. Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV) for laboratory use[C ]//Conf. On Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measurements and Experimentation. NY: ASCE, 1994: 351-365.

[2]Mueller, D.S.Field Assessment of Acoustic Doppler Based Discharge Measurements[C]//USGS;Proc. Hydraulic Measurements & Experimental Methods 2002. Estes Park,CO, ASCE, 2002: 374-381.

[3]Shih H. H., Payton C., Sprenke J., and Mero T.Towing Basin Speed Calibration of Acoustic Doppler Current Profiling Instruments[C]//USGS; Proc. 2000 Joint Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning and Management, Minneapolis,MN, ASCE, 2000.

[4]原野，趙亮，魏皓，等. 利用剖面儀和LISST-100儀觀測懸浮物濃度的研究[J]. 海洋學報，2008, 30(3): 48-52.