Sontek手持式ADV在鶴崗地區(qū)水文監(jiān)測的應(yīng)用

崔 巖

(黑龍江省水文水資源中心佳木斯分中心，黑龍江 佳木斯 154002)

0 前 言

近年來，隨著黑龍江省水文監(jiān)測的不斷加大投入，許多高精密，新儀器設(shè)備的水文測量儀器被投入到使用中，在地區(qū)水文監(jiān)測、河流污染治理和防洪減災(zāi)中不斷發(fā)揮作用，這些新技術(shù)，新設(shè)備和傳統(tǒng)的水文測量儀器相比較，具有精度高，攜帶方便，操作相對簡單，數(shù)據(jù)處理更有優(yōu)勢，在應(yīng)急測量中發(fā)揮著不可替代的作用。在對一些河流進(jìn)行生態(tài)最小流量測量、排污口流量測量和冰期小流量測量時(shí)，文章所介紹的由Sontek公司出品的手持式ADVYR-1型聲學(xué)多普勒流速儀具有非常好的適應(yīng)性和拓展性，該儀器由Sontek公司研發(fā)，專門適用于流量小，適合涉水作業(yè)的河道情況進(jìn)行測量。

1 手持式ADV的性能介紹

適用于鶴崗地區(qū)的手持式ADV型號(hào)為YR-1型，其感應(yīng)探頭為二維探頭，具體由探頭、探頭電纜線、便攜式計(jì)算手簿、中文操作鍵盤、拓展通訊接口和傳感器、接收器、及溫度傳感器組成。該儀器可測最小水深為2cm，流速測量范圍0.001-4.5m/s，其分辨率達(dá)0.0001m/s，具有十分高的靈敏性。工作環(huán)境溫度在零下20℃，在冰期能夠進(jìn)行穩(wěn)定測流。YR-1型手持式ADV示意圖，見圖1。

圖1 YR-1型手持式ADV示意圖

探頭：能夠測量2維不同方向的流速值，并顯示合成后的流速及其方向夾角。

探頭電纜線：對聲波具有特別高的靈敏度，長約200cm，負(fù)責(zé)向計(jì)算手簿傳送數(shù)據(jù)。

便攜式計(jì)算手簿：計(jì)算手簿由內(nèi)電路板，防水電池電源，中午鍵盤及液晶顯示器組成，具有IPX7級(jí)防水，可以經(jīng)受短時(shí)間沒入水中，但是不能應(yīng)用于水下操作。

拓展通訊接口：用于計(jì)算機(jī)下載數(shù)據(jù)。

傳感器：發(fā)送聲波脈沖。

接收器：該儀器由兩個(gè)聲波接收器組成二維探頭，接收器對于聲波及其敏感，從探頭設(shè)置固定10cm距離，將其聚焦在公共區(qū)域。

2 手持式ADV工作原理

ADV(或者稱為聲學(xué)多普勒流速儀)是一個(gè)測量單點(diǎn)流速的儀器，無論在高流速還是在低流速條件下，都可以精確測量三維的水流速度。測量流速的采樣區(qū)域是位于探頭頂部一定距離的地方(圖2)。探頭由兩大部分組成，一部分是由一個(gè)位于探頭頂端中央的專門的發(fā)射器，另一部分是安裝在臂上的兩個(gè)或三個(gè)接收器。發(fā)射器產(chǎn)生成一束狹長的超聲波向水中發(fā)射；遇到水中的微粒或者“散射物質(zhì)”(例如懸浮沉積物、水中生物，或者氣泡)被反射，由高敏感度的接收器接收。兩個(gè)或三個(gè)接收器軸線的交集處即是采樣區(qū)域的位置[1]。

圖2 ADV傳感器結(jié)構(gòu)圖

3 流量測量原理

該設(shè)備計(jì)算流量的原理與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀計(jì)算方式相同，都是采用流速面積法，選擇河道情況較為穩(wěn)定的河道斷面進(jìn)行測量，設(shè)置帶有刻度線(明顯測量出河道橫斷面起點(diǎn)距的測量設(shè)備，流向應(yīng)該垂直于該斷面，從一側(cè)開始進(jìn)行測量，同時(shí)記錄起點(diǎn)距及水深，在每一條垂線上記錄ADV探頭水下位置和實(shí)測流速，測量過程中保證探頭x軸是垂直于斷面線的，在儀器度數(shù)角度及為流向偏角，結(jié)果計(jì)算中可以采用X軸流速也可記錄復(fù)合流速。具體見圖3。

圖3 流速面積法原理圖

4 實(shí)例測量

在鶴崗地區(qū)中小河流測流應(yīng)用中，我們進(jìn)行了ADV和流速儀的流速比測應(yīng)用，比測后數(shù)據(jù)符合要求，能夠應(yīng)用，在實(shí)地合泉村中小河流水文站進(jìn)行實(shí)地測量。合泉水文站位于鶴崗市東方紅鄉(xiāng)合泉村，是梧桐河一級(jí)支流石頭河控制站，地處E130°24′31.5″、N47°15′33.8″,防汛服務(wù)的目標(biāo)是東方紅鄉(xiāng)。石頭河是松花江的二級(jí)支流，發(fā)源于筆架山，由興山頭道溝、二道溝、三道溝、四道溝、五道溝、六道溝等匯流而成，流經(jīng)礦區(qū)中部和南山礦東部與伏爾基河匯合后入梧桐河，流域面積250.0km2，集水面積134 km2，干流河長45.0km。基本水尺斷面在寶新公路橋下游10m，公路橋?yàn)?跨梁式橋，橋長30m。測驗(yàn)河段順直長度100m，主槽寬約25m，左右岸均為農(nóng)田，河槽控制較好。河床主要由細(xì)沙卵石組成，水深較淺適用于該設(shè)備測流[2]。

開機(jī)后進(jìn)入相應(yīng)選擇菜單，表1顯示每種測量方法的設(shè)定。在本次測量中，我們選用Mthd 8/2方法，即測量水深后，先從相對水深位置0.8開始測量流速，然后0.2相對位置展開測量，實(shí)際操作過程中，由2人協(xié)作進(jìn)行完成，1人負(fù)責(zé)水中涉水測量，讀出計(jì)算手簿數(shù)以及水深及起點(diǎn)距后，另一人負(fù)責(zé)記錄整理數(shù)據(jù)。在測量過程中，探頭X軸方向擺放位置影響流量結(jié)果，建議先用手持式ADV進(jìn)行試測，查看流向偏角后，調(diào)整探頭X軸位置或者最后數(shù)據(jù)整理時(shí)加入流向偏角改正。

由于該設(shè)備在液晶顯示屏上并沒有中文提示界面，所以在查看測量結(jié)果上對沒有英文基礎(chǔ)知識(shí)的測量人員有困難，在完成測量后屏幕顯示RatedQ即為流量結(jié)果，Stn為測站編號(hào)，Loc為測點(diǎn)位置，Dep為水深(需要我們輸入)，其中流向偏角我們可以在Ang一欄上直接讀出，Vel即為x軸流速值。

在測得數(shù)據(jù)后，對儀器測量的數(shù)據(jù)成果檢查和質(zhì)量控制是很有必要的，作為流速的影響因子，在完成測量工作后應(yīng)該對以下數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，以評估流量測量的整體準(zhǔn)確度。其評價(jià)項(xiàng)目包括：流速標(biāo)準(zhǔn)誤差、SNR、界面調(diào)整、干擾項(xiàng)分析去噪、流向偏角改正。流速標(biāo)準(zhǔn)誤差就是精確測量出來的平均流速數(shù)據(jù)，其計(jì)算過程為每個(gè)系列測量流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以測量流速總數(shù)的平方根，每次測驗(yàn)完一個(gè)位置流速后，我們應(yīng)該立即檢查該點(diǎn)流速的標(biāo)準(zhǔn)誤差，用來判斷該點(diǎn)是否需要重新測量；SNR即信噪比，用以評定反射回聲波信號(hào)相對于儀器周圍噪聲影響的比值，理論上該值應(yīng)該>10dB，特別清的水可能影響該儀器的信噪比值從而影響測量結(jié)果；界面調(diào)整，其實(shí)該儀器測量位置流速并不是傳感器的實(shí)體位置，而是固定在探頭頂端10cm的位置，在測量淺水區(qū)域時(shí)應(yīng)注意，反射的聲波可能會(huì)嚴(yán)重影響所測數(shù)據(jù)，此時(shí)應(yīng)該密切注意觀察流速標(biāo)準(zhǔn)誤差。在每一次測量完成后應(yīng)該及時(shí)觀察干擾項(xiàng)及查看流向偏角。ADV垂線流速測法及說明見圖4。

圖4 ADV垂線流速測法及說明

在完成測驗(yàn)后，應(yīng)該對儀器設(shè)備進(jìn)行具體項(xiàng)目檢查，其中包括傳感器探頭清洗檢查，電纜線外部檢查等，應(yīng)該用干凈的軟布蘸水后清潔探頭，每次測流結(jié)束后應(yīng)對2維探頭進(jìn)行清水清洗，如若在檢查中發(fā)現(xiàn)傳感器有損壞，應(yīng)該對結(jié)果進(jìn)行及時(shí)復(fù)測，用來判斷該儀器是否還具有精準(zhǔn)度，在涉水測量時(shí)應(yīng)避免計(jì)算手簿落入水中，由于該儀器采用IPX7級(jí)防水，并不能保證在水下穩(wěn)定作業(yè)。

5 在本地區(qū)的應(yīng)用前景分析

該儀器與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀相比，能夠測量瞬時(shí)流速，同時(shí)更加方便攜帶，具有較高的靈敏度和抗干擾能力，當(dāng)測量天然河道或渠道流速時(shí)，能夠有效避免水中漂浮物對儀器的影響，感應(yīng)靈敏、分辨率高、流速測驗(yàn)范圍廣，不需要像流速儀那樣針對不同流速更換型號(hào)，摒棄了機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)測量流速帶來的一些列問題，由于該儀器的特點(diǎn)正逐步應(yīng)用于水文測流過程中，在鶴崗地區(qū)排污口污水測量中，有很好的應(yīng)用，特別是在一些寬淺式渠道中。另外，該儀器在冬季冰期測流中，也有很好的效果，一般傳統(tǒng)流速儀在冰期測流中需要開鑿較大的并口，往往一次測流過需要耗費(fèi)1-2h，而采用手持式ADV進(jìn)行冰期測流，對冰上開鑿口的要求就小了很多，耗費(fèi)的人力物力相對少了很多，并且該設(shè)備內(nèi)部鑲嵌了專門應(yīng)用于冰期測流的程序，大大方便了冰上作業(yè)人員的工作。也可以按需要準(zhǔn)確測量流速、流向和水溫，滿足各種類型測量需要，功耗相對較低，內(nèi)置可充電鋰電池。不同探頭的形狀示意圖見圖5。

圖5 不同探頭的形狀示意圖

6 結(jié) 語

手持式ADV測流具有速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在水深較淺斷面較寬且流速范圍較大的條件下(天然河流、污水河道、污水排放口和濕地)等場合有較好的適應(yīng)性,使用手持式ADV是一種理想的選擇。其流速適應(yīng)范圍大、時(shí)間短和淺水測量是其他傳統(tǒng)流速測量無法比擬的。

并且能夠有效彌補(bǔ)ADCP在測量中小河流上的不足，聲學(xué)多普勒流速測量技術(shù)已經(jīng)在我省普及很長一段時(shí)間了，在不久的將來，傳統(tǒng)流速儀將逐漸地被新設(shè)備和新技術(shù)所取代，特別是手持式ADV在小河流上的應(yīng)用，傳統(tǒng)流速儀已經(jīng)不作為主要的測驗(yàn)儀器，僅僅是在每年流速比測時(shí)得到應(yīng)用，綜上所述，手持式ADV在以后的中小河流測量當(dāng)中會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。