瑞智型相控陣ADCP在印度尼西亞卡揚(yáng)河的應(yīng)用探討

羅　興　　汪洪能　　吳士夫

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢　430012)

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水文測(cè)驗(yàn)

瑞智型相控陣ADCP在印度尼西亞卡揚(yáng)河的應(yīng)用探討

羅興汪洪能吳士夫

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢430012)

摘要：瑞智型相控陣聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)為一款用于走航測(cè)量流量的新型ADCP，具有體積小、精度高、安裝使用便捷，可適用于不同水深和水流條件等優(yōu)點(diǎn)。通過在印度尼西亞卡揚(yáng)河的應(yīng)用實(shí)例，介紹和總結(jié)了該儀器的使用方法，并對(duì)其性能和實(shí)用性進(jìn)行了探討。分析表明，該款A(yù)DCP具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：流量測(cè)驗(yàn)；應(yīng)用實(shí)例；瑞智型相控陣ADCP;相控陣

1　概　述

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)具有能直接測(cè)出斷面的流速剖面、不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種水流條件下的流量測(cè)驗(yàn)和流速流向測(cè)驗(yàn)[1-2]。瑞智型(RiverRay)相控陣ADCP是美國(guó)勞雷(TRDI)工業(yè)公司最新研發(fā)的一款用于走航測(cè)量流量的ADCP，突破了以往ADCP必須由用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置作業(yè)參數(shù)的局限，采用智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念，使用戶幾乎無需做任何設(shè)置就可以進(jìn)行流量測(cè)量。

本文就該儀器在印度尼西亞卡揚(yáng)河流域的應(yīng)用，介紹和總結(jié)了該儀器的使用方法。

2　ADCP測(cè)流原理及相控陣技術(shù)

2.1聲學(xué)多普勒效應(yīng)

當(dāng)聲源與接收物體以相對(duì)速度v相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收物體所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同，即為多普勒效應(yīng)。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化稱為多普勒頻移，它與相對(duì)速度v成正比，與振動(dòng)頻率成反比[3]。

2.2走航式ADCP測(cè)量原理

ADCP利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)流,通過換能器發(fā)射出一定頻率的脈沖，該脈沖遇到水體中的懸浮物質(zhì)后，產(chǎn)生后向散射回波信號(hào)，該信號(hào)為ADCP所接收。懸浮物質(zhì)隨水流而漂移，使該回波信號(hào)的頻率與發(fā)射的頻率之間產(chǎn)生一個(gè)頻差，即多普勒頻移。

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)量等基本原理一樣，即在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線，在每條垂線處測(cè)量水深及多點(diǎn)流速，計(jì)算得到垂線的平均流速。

走航式ADCP實(shí)測(cè)的是斷面中部區(qū)域內(nèi)的流速，該區(qū)域稱為ADCP實(shí)測(cè)區(qū)。另有以下幾個(gè)小區(qū)域?yàn)锳DCP盲區(qū)：①水面區(qū)域。厚度為ADCP換能器的入水深度加上ADCP的盲區(qū)。②河底區(qū)域。河底接口對(duì)聲波的干擾而造成的盲區(qū)，或者稱之為旁瓣區(qū)。③岸邊區(qū)域(左右岸兩個(gè)區(qū)域)。由于靠岸邊水較淺，測(cè)量船只無法靠近而造成不能直接測(cè)量，或者因ADCP本身的原因，不能實(shí)測(cè)，稱為非實(shí)測(cè)區(qū)。水面、河底區(qū)域、岸邊區(qū)域的流量可通過實(shí)測(cè)區(qū)資料的外延來估算。

2.3相控陣技術(shù)

寬帶ADCP是利用一對(duì)寬帶脈沖信號(hào)，通過測(cè)量該對(duì)脈沖信號(hào)的回波脈沖時(shí)間間隔變化來測(cè)量水流速度[4]。為測(cè)得水流流速，ADCP需要同時(shí)向水介質(zhì)發(fā)射4個(gè)波束的聲波脈沖信號(hào)，每個(gè)聲波脈沖的傳播方向與垂線的夾角都為θ，如圖1所示，ADCP沿這4個(gè)方向發(fā)射的聲波波束結(jié)構(gòu)稱為JANUS結(jié)構(gòu)。以前的ADCP產(chǎn)品同時(shí)采用4個(gè)相同的換能器陣，發(fā)射4個(gè)JANUS結(jié)構(gòu)的波束。針對(duì)每個(gè)波束，需要對(duì)于每個(gè)換能器的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立移相(或時(shí)間延遲)處理，其相位控制量為

(1)

式中，φ為相鄰陣元接收信號(hào)相位差；f為發(fā)射頻率，Hz；λ為波長(zhǎng)，mm;τ為相鄰陣元間的信號(hào)時(shí)延，s;c為波束在介質(zhì)中的傳播速度，m/s;d為換能器之間的間距，m;θ為波束傾角,(°)。

圖1　ADCP工作原理示意

所謂相控陣技術(shù)是利用波束形成的一種特殊情況，即當(dāng)d=λ/2，且θ=30°時(shí)，由該式描述的相位控制量，只在 0°、90°、180°、270°這4個(gè)數(shù)據(jù)之間變化(因此相控陣上千個(gè)陣元中相位獨(dú)立的換能器為數(shù)并不多)。相控陣的優(yōu)點(diǎn)是體積比常見的ADCP聲陣要小得多，其直徑只相當(dāng)于常見的ADCP聲學(xué)換能器陣中一個(gè)換能器的直徑。在相同尺寸條件下，相控陣式ADCP的工作頻率可以更低，從而能使其測(cè)量深度更深。

3　應(yīng)用實(shí)例及成果分析

3.1卡揚(yáng)河基本情況

卡揚(yáng)河位于印度尼西亞北加里曼丹省境內(nèi)，全長(zhǎng)約450 km。卡揚(yáng)一級(jí)水電站是卡揚(yáng)河最下游的一個(gè)梯級(jí)，壩址位于北加里曼丹省的卡揚(yáng)河中游河段，Long Bia村上游約7.5 km處。所選水文控制斷面位于壩址下游3 km處，上游順直長(zhǎng)度約500 m，水流基本穩(wěn)定。河道形狀為“U”型，洪水期水面寬約180 m，常水位河寬約140 m。左岸樹木覆蓋茂盛，坡度較大；右岸坡度較緩，樹木較左岸稀少。斷面主河槽為卵礫質(zhì)河床。

卡揚(yáng)河流域無水文測(cè)站，為率定卡揚(yáng)河水位-流量關(guān)系，需對(duì)卡揚(yáng)河開展流量測(cè)驗(yàn)。由于纜道測(cè)流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)耗時(shí)較長(zhǎng)，流速儀法施測(cè)時(shí)，測(cè)船需拋錨定位，存在一定的安全隱患。為此，選擇瑞智型相控陣ADCP配合水上交通船施測(cè)流量。

3.2儀器配置

瑞智型相控陣ADCP硬件主要包括ADCP主機(jī)、三體船、通訊設(shè)備(有線和無線模式)、測(cè)流軟件和筆記本電腦，外接設(shè)備包括GPS和GPS羅經(jīng)。其中，通訊設(shè)備主要包含3種方式，即“Y”型電纜線直連、藍(lán)牙連接和電臺(tái)連接，藍(lán)牙連接模式信號(hào)可以傳輸30 m范圍內(nèi)，通過電臺(tái)模式，信號(hào)可以在600 m范圍內(nèi)傳輸。

結(jié)合卡揚(yáng)河實(shí)際情況，此次流量測(cè)驗(yàn)主要采用當(dāng)?shù)厮辖煌敬鳛槿w船動(dòng)力，外接GPS(星站差分GPS)結(jié)合內(nèi)置羅經(jīng)測(cè)量流速，通訊方式選用藍(lán)牙模式。

3.3參數(shù)設(shè)置

瑞智型相控陣ADCP突破了以往ADCP必須由用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置作業(yè)參數(shù)的局限，采用智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念，使用戶幾乎無需做任何設(shè)置就可以進(jìn)行流量測(cè)量。 在橫渡時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)根據(jù)水深、流速大小情況切換測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ＷC測(cè)驗(yàn)精度。唯一需要手動(dòng)輸入的兩個(gè)參數(shù)分別為儀器入水深和岸邊流量插補(bǔ)信號(hào)個(gè)數(shù)。

3.4流量成果分析

2015年6月1日～8月8日在卡揚(yáng)河利用瑞智型相控陣ADCP施測(cè)流量36次，最大流量4 008 m3/s，最小流量325 m3/s，并對(duì)底跟蹤(BTM)模式和GPS模式下的流量值分別進(jìn)行了誤差計(jì)算，驗(yàn)證了流量測(cè)驗(yàn)值的穩(wěn)定性，詳見表1。進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，測(cè)船進(jìn)行4個(gè)單次測(cè)驗(yàn)(2個(gè)往返)，往返誤差控制在±5%范圍內(nèi)，當(dāng)某一個(gè)單次流量值超出誤差范圍時(shí)，補(bǔ)測(cè)該測(cè)次。

表1　卡揚(yáng)河實(shí)測(cè)流量成果匯總

由表1可以看出，36個(gè)測(cè)次的GPS和BTM模式下的流量誤差全部在±5%范圍以內(nèi)，水位相同或者接近時(shí)，流量值基本相同。原因在于：①卡揚(yáng)河屬于槽蓄型河流，經(jīng)過分析驗(yàn)證，水位-流量關(guān)系是比較穩(wěn)定的單一線，水位和流量是一一對(duì)應(yīng)的單值關(guān)系；②相控陣ADCP測(cè)驗(yàn)偶然誤差小，測(cè)驗(yàn)成果可靠。

4　應(yīng)用注意事項(xiàng)

(1) 測(cè)驗(yàn)時(shí)，控制好船速，確保測(cè)船平均速度小于水流流速，最好能沿著斷面線橫渡。

(2) 使用木質(zhì)測(cè)船施測(cè)時(shí)，可以不用外接GPS羅經(jīng)，但是使用3～5次后，要及時(shí)校準(zhǔn)內(nèi)置羅經(jīng)。

(3) 數(shù)據(jù)通訊方式有3種，根據(jù)不同情況選擇通訊方式，一般情況下，藍(lán)牙模式比較適用。

(4) 每次使用前后，都要涂抹硅膠，確保儀器密封不透水。

5　結(jié)　語

瑞智型相控陣ADCP具有體積小、精度高、安裝使用方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，能適用不同水深和水流條件，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過在長(zhǎng)江、洞庭湖等大江大湖上的比測(cè)，驗(yàn)證了該儀器的適用性。通過在印度尼西亞卡揚(yáng)河的應(yīng)用表明，特別是在類似該河流域，即水面寬度不寬、水深較大的情況下，瑞智型相控陣ADCP也具有較好的適用性。

參考文獻(xiàn):

[1]田淳,劉少華.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2]張道平.多普勒測(cè)流技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[C]//99浙、魯、津聲學(xué)技術(shù)交流會(huì)論文集.北京：海洋出版社，1999.

[3]SL337—200 聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].

[4]韋立新，蔣建平，曾貫中.基于ADCP實(shí)時(shí)指標(biāo)流速的感潮段斷面流量計(jì)算[J].人民長(zhǎng)江，2016，47(2)：27-29.

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-05-15

作者簡(jiǎn)介：羅興，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，工程師.

文章編號(hào)：1006-0081(2016)07-0001-03

中圖法分類號(hào)：P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A