聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期流量測驗關(guān)鍵技術(shù)探索

劉陽明，李加偉，吳高莊

（松遼委黑龍江水文水資源勘測局，黑龍江 黑河 163400）

近年來，聲學(xué)多普勒流速儀在暢流期水文測驗中已廣泛使用，而在封凍期流量測驗的應(yīng)用則受到地域和氣候的限制，基本尚未開展。為適應(yīng)水文現(xiàn)代化要求，減少封凍期流量測驗勞動強度，提高測驗精度,首次將聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用到封凍期河流流量測驗中。于2007，2008年冬季及2009年春季期間，在黑龍江干流卡倫山水文站進行了ADP與機械旋漿式流速儀封凍期流量比測實驗。結(jié)合實際操作中遇到的問題以及 《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》中未對封凍期流量測驗做出規(guī)定的方面，提出針對性的建議和措施，進而提高聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期河流的流量測驗精度，促進了聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展。

1 斷面磁方向校正

在使用ADP進行冰期流量測驗前，需做一次斷面磁方向標定，來確定河道流量測驗的斷面線。如果ADP磁羅經(jīng)出現(xiàn)問題或在外部磁場干擾下進行ADP標定斷面方向時，會影響到ADP流量測驗的精度。在測驗過程中需使用外帶羅經(jīng)進行斷面磁方向校對，誤差應(yīng)小于2°。如果磁方向角大于2°，應(yīng)及時對ADP換能器進行羅盤校正，并按《ADP儀器操作手冊》中的方法對儀器進行羅盤校正。

ADP進行斷面磁方向標定時，由于ADP方向箭頭很小而且還在儀器換能器的下面，這樣現(xiàn)場標定箭頭與斷面線是否在一直線時，本身就存在不可避免的誤差，需標定3～5次，取其均值作為斷面方向數(shù)值來減小誤差。

2 ADP單條垂線測驗歷時分析確定

減小ADP流量測驗歷時并能保證流量測驗精度，主要取決于ADP進行單條垂線水深和流速測量時間。通過對只結(jié)冰的垂線、既結(jié)冰又有冰花的垂線、 有兩層冰的垂線在 20，40，60，80，100，120，150，200s以及300s的時間內(nèi)測量的水深和流速，分析其在歷時最短又能保證水深和流速的穩(wěn)定性和準確性。

（1）測深歷時分析。采用每間隔5s測量一次垂線水深，連續(xù)累積300s（圖1），測試水流變化和河底河床的穩(wěn)定性。采用在300s內(nèi)每間隔5s測量一次垂線平均水深，并連續(xù)累積計算平均水深（圖2）。實測分析出在最短時間內(nèi)水深趨于穩(wěn)定，且接近真實的水深。

通過圖1，2和可以看出測驗歷時在30s后垂線平均水深趨于穩(wěn)定。

（2）測速歷時分析。采用每間隔5s測量一次垂線平均流速度連續(xù)累積300s，測試水流脈動的周期和頻率。采用歷時300s內(nèi)每間隔5s測量一次垂線平均流速度，連續(xù)累積計算垂線平均流速。

通過實測數(shù)據(jù)分析，測驗歷時在100s后垂線平均流速實測值趨于穩(wěn)定，但由于可能受冰孔圍周冰厚不均勻、冰花分布不均勻、冰鉆車打孔后破壞了垂線的冰厚和冰花的自然分布等因素影響，垂線測驗歷時還需延長。在120s與300s內(nèi)計算的垂線平均流速基本相等，最大誤差不大于3%，這說明歷時120s內(nèi)實測的垂線平均流速能夠反映出當時垂線平均流速情況，滿足《河流流量測驗規(guī)范》要求。冰期ADP垂線流速和水深的測驗歷時為120s，如遇到特殊情況，包括河道冰情變化、時間限制、特殊水情等，垂線流速和水深的測驗歷時不應(yīng)小于100s。

3 ADP垂線測量時換能器位置的選擇及冰花處理

ADP進行垂線測量時換能器的入水深度和所在冰孔冰厚的位置對實測垂線平均流速有直接的影響。為此在現(xiàn)場進行了多次比測實驗。

ADP換能器發(fā)射聲波信號的部件沿主軸向外側(cè)傾斜25°，當ADP的換能器放在水面與冰底部之間時，換能器發(fā)射的聲波反射回ADP換能器。接收過程中受到冰厚的影響，聲波發(fā)生了變化，不能夠接收到有效信號，嚴重影響了實測水深和流速的有效性，因此應(yīng)將ADP換能器放到冰底部5～15cm處，從所測得的流速相對穩(wěn)定，與機械流速儀測量值相對接近。

遇到有冰花的冰孔，當ADP換能器放在冰底，所發(fā)出的聲波通過冰水混合時，改變了聲波的波長，使ADP換能器不能接到原波長的聲波，故將無法測到水深和流速，應(yīng)將聲學(xué)多普勒流速儀放到冰花以下5～15cm處。對于有2層冰的冰孔，應(yīng)將ADP換能器應(yīng)放到二層冰下10cm處。

ADP探頭放在距冰底距離較近時，探頭附近周圍的冰厚有可能高于探頭底部。ADP在實測過程中，第一個受噪音影響的速度點的速度值小于等于零，這樣使頂部插補的曲線為零值的直線，測得的垂線平均流速也為0。因此探頭應(yīng)放在冰孔底部以下10cm處。

換能器放到冰孔的冰花下面，與實際旋漿式流速儀的實測結(jié)果是相同的。應(yīng)將ADP探頭放在第三點流速的下面，不然就會出現(xiàn)有效水深變大，擬合的垂線流速曲線與實際情況不符，垂線平均流速變小。

4 概化外延垂線流速分布冪指數(shù)計算方法

4.1 概化垂線流速分布冪指數(shù)模型

ADP使用RiverSurveyor軟件采集垂線120s數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲存到一個獨立的測量文件中，并以每0.25m為一個采樣單元對速度剖面進行垂直積分，對每個采樣單元進行平均，得到垂線的平均流速。ADP在進行垂線測量過程中，實際測量的區(qū)域為斷面的中部區(qū)域 （中層），這個區(qū)域稱為ADP實測區(qū)。而在垂線上下兩個邊緣區(qū)域內(nèi)，ADP由于受方法及現(xiàn)有技術(shù)的限制，不能提供測量數(shù)據(jù)或有效測量數(shù)據(jù)，因此存在上下兩個盲區(qū)。

第一個區(qū)域是靠近水面（表層）的盲區(qū)，由于換能器由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)時，需要一個時段，而在該時段內(nèi)，換能器附近水域的反射信號已經(jīng)返回，換能器來不及接收這些信息，且由于受冰層的漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測失真，因此形成了表層盲區(qū)，其厚度大約為從冰底到換能器底部及垂線第一個單元厚度之和，約為35cm。第二個區(qū)域是靠近河底（底層）的盲區(qū)，稱為“旁瓣區(qū)”（河底對聲束的干擾區(qū)）。由于受河底漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測失真，盲區(qū)厚度取決于ADP聲束角，即換能器與ADP軸線的夾角。兩部分盲區(qū)其流速需要通過實測區(qū)數(shù)據(jù)外延來估算，均采用概化垂線流速分布冪指數(shù)模型插補盲區(qū)流速曲線分布。根據(jù)不同水位級精測法測點流速資料，采用概化指數(shù)流速分布公式求得：

式中 uη—某相對水深η處的測點流速；umax—垂線上最大測點流速，一般用垂線有效水深0.5位置點流速代替；η—相對水深，為Z/H，Z為測點離河底距離，H為水深（由河底起算）；b—冪函數(shù)指數(shù)。

根據(jù)式（1）可確定冪指數(shù)b：

將實測垂線點流速uη和對應(yīng)的相對水深η點繪在雙對數(shù)坐標上，采用冪指數(shù)公式擬合直線的斜率，即為bj值，可用Excel冪函數(shù)取雙對數(shù)擬合，截距為 lgηmax。

按聲學(xué)多普勒流速剖面儀計算規(guī)則，微斷面（可近似看成垂線）深度平均流速x方向分量（測速垂線平均流速）按下式（3）計算：

式中 Z1為最后一個有效單元的高度；Z2為河底至第一個有效單元的高度；H為測速垂線水深，Dc為單元長度；uxj為單元 j中所測的x向流速分量，相當于流速儀測速垂線上“測點流速”；b為經(jīng)驗常數(shù)，通常取0.1667。

ADP測流軟件根據(jù)測流過程中實測數(shù)據(jù)確定Z1，Z2，H，Dc，uxj等參數(shù)，唯有冪函數(shù)指數(shù) b 是假設(shè)值。

ADP設(shè)置文件中將冪函數(shù)指數(shù)b值取為為常數(shù)原因：一是黑龍江干流水文站的測驗河段無相關(guān)資料，冪指數(shù)b不能確定；二是根據(jù)理論上明渠指數(shù)流速垂向分布曲線形狀，推薦假設(shè)b為常數(shù)，主要出于斷面垂向流速分布的平均情況來考慮的?！逗恿髁髁繙y驗規(guī)范》（50179-93）中，推薦b=0.11～0.20；測站如無實測資料概化或準確得出冪函數(shù)指數(shù)值，也可采用=0.1667用于聲學(xué)多普勒流速剖面儀測流參數(shù)設(shè)置。

表層有冰花冰孔的流速曲線與表層無冰花冰孔的流速曲線理論分布是不一致的，其主要原因是由于冰花和冰厚的摩阻系數(shù)不同，以及冰花空間分布所引起的。經(jīng)過比測試驗確定有冰花的冰孔表層流速插補冪函數(shù)指數(shù)b值為0.30～0.40之間，主要取于冰花空間分布的厚度和密度大小來具體確定。

4.2 垂線流速分布對比

相同垂線下的ADP流速儀與旋漿式流速儀實測垂線流速分布對比見圖3，表1。

表1 ADP和旋漿式流速儀垂線平均流速比測分析表

2009年3月14日起點距為250m處帶有冰花的冰孔處水深為3.84m，冰厚1.40m，冰花厚為0.20m。圖3（a）為ADP實測流速分布，表層采冪函數(shù)指數(shù)=0.16667值插補模型，平均流速為0.40m/s；圖3(b)為ADP 實測流速分布，表層采冪函數(shù)指數(shù)=0.40補模型，平均流速為0.38m/s；圖3(c)為旋漿式流速儀實測垂線流速分布，平均流速為0.37m/s。從垂線流速分布和垂線平均流速可以說明冪函數(shù)指數(shù)取0.16667時表層插補流速曲線與旋漿式流速儀不一致，與有冰花的理論流速曲線不符；冪函數(shù)指數(shù)取0.40時表層插補流速曲線與旋漿式流速儀一致，與有冰花的理論流速曲線變化趨勢一致，能夠反映有冰花的冰孔表層流速的自然分布。根據(jù)地理位置、封江形勢、冰花分布初步擬定帶有冰花的冰孔表層插補冪函數(shù)指數(shù)在0.30～0.40之間。

從垂線流速分布曲線比測圖以及表1中可以得出：

（1）ADP中間層實測流速曲線分布與旋漿式流速儀實測數(shù)據(jù)相同，能夠反映實際垂線流速分布。ADP計算垂線平均流速與旋漿式流速垂線平均流速誤差滿足《河流流量測驗規(guī)范》要求。

（2）采用概化垂線流速分布冪指數(shù)模型對冰底表層和河底盲區(qū)流速分布進行插補、擬合的流速分布曲線能夠反映流速的自然分布情況。確定冪函數(shù)指數(shù)參數(shù)b值，河底底層和表層無冰花的為0.166667；表層有冰花的為0.30～0.40之間。