聲學(xué)多普勒測流儀在奉化江潮流量測驗(yàn)中的應(yīng)用

莫明輝,張沈陽

(1.寧波市水文站,浙江 寧波 315016;2.浙江省河海測繪院,浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

澄浪堰水文站由于重建原因,拆除了原有測流纜道,并于2009年4月安裝了岸式聲學(xué)多普勒流速儀(型號(hào)為淘金者-SL)和實(shí)時(shí)流量測報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝之后,由于缺乏SL測得流速和斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系,于2011年7月采用全潮水文測驗(yàn)的方式,通過走航式ADCP(型號(hào)為RiverSurveryor M9)比測率定兩者的相關(guān)關(guān)系。

由于澄浪堰水文站水位臺(tái)采用虹吸式進(jìn)水管,每天需要進(jìn)行沖水防止進(jìn)水口堵塞,所以水位在某一段時(shí)間會(huì)有突變。為了解決這一問題,首先應(yīng)對(duì)沖水時(shí)間的相應(yīng)水位進(jìn)行插補(bǔ)。另一方面,由于河道淤積原因,SL安裝不到最低水位處,低水流量一直測不到,本文通過直線插補(bǔ)的方法,推算出低潮部分的指標(biāo)流速,進(jìn)而通過相關(guān)關(guān)系推算出低潮部分的斷面平均流速和流量。

2 流量測驗(yàn)方法與ADCP工作原理

2.1 流量測驗(yàn)方法

流量測驗(yàn)最常用的辦法是流速面積法。流速面積法測量流量的原理是:通過橫斷面上單元面積的流量是該面積與水流速度(流速)的乘積。分別測量各個(gè)部分的流速和面積即可求得流量。此類方法要設(shè)置垂直于流向的橫斷面,進(jìn)行斷面測量。

對(duì)于流速測量,根據(jù)所用儀器設(shè)備不同,可以分為流速儀法、浮標(biāo)法、超聲波法、電磁法、比降法等幾種方法。其中超聲波法中的聲學(xué)多普勒法是目前較為先進(jìn)、可以頻繁測量的方法,而岸式聲學(xué)多普勒流速儀(SL)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)連續(xù)測量。

2.2 聲學(xué)多普勒流速儀工作原理[1]

聲學(xué)多普勒流速儀采用了一種稱之為多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度。其測量原理是:如果一個(gè)聲源與接收聲波物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收聲波物體所接收到的聲波頻率與聲源發(fā)射的聲波頻率之間有一個(gè)差異,即有一個(gè)多普勒的頻移。

2.3 流量的計(jì)算[2]

由ADCP實(shí)測的部分層水平流速與斷面平均流速之間的關(guān)系可以由2種方法來確定,即理論流量的計(jì)算方法和指標(biāo)流速的率定方法。對(duì)于水位變化比較大的天然河道,建議采用指標(biāo)流速的率定方法,以得到更準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

指標(biāo)流速的率定方法已經(jīng)成為目前最流行的實(shí)時(shí)流量監(jiān)測的先進(jìn)技術(shù)。在水位和流量變化較大的條件下的流量測驗(yàn)。ADCP系統(tǒng)同時(shí)實(shí)測水平流速和水位,作為流量計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。按照用戶的經(jīng)驗(yàn),通過分析確定實(shí)測的水平流速與斷面平流速之間的關(guān)系。將已經(jīng)確定的實(shí)測流速與斷面平均流速的關(guān)系方程式輸入到ADCP的軟件中,這樣ADCP就可以實(shí)時(shí)輸出已經(jīng)率定后的瞬時(shí)流量了。

實(shí)際工作中我們采用一元三次多項(xiàng)式來做指標(biāo)流速和斷面平均流速的回歸分析。

3 比測和分析

3.1 比 測

通過2011年7月 7—8日和2011年7月14—15日2次全潮水文測驗(yàn)的比較分析,得到斷面平均流速和指標(biāo)流速(多普勒測得流速)的相關(guān)關(guān)系。在指標(biāo)流速和斷面平均流速關(guān)系曲線繪制過程中,發(fā)現(xiàn)漲潮時(shí)二者之間存在良好的關(guān)系,但落潮時(shí)候關(guān)系稍差。經(jīng)研究,發(fā)現(xiàn)落潮時(shí),水位小于2.60m時(shí) (SL安裝位置2.00 m),SL測得的指標(biāo)流速明顯偏小,水位小于2.00 m時(shí),SL露出水面,無數(shù)據(jù),需進(jìn)行插補(bǔ)。把落潮時(shí)2.00,-2.60 m指標(biāo)流速刪除后,得到二者之間線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)最高,其公式為:y=1.298 6 x-0.034,決定系數(shù)為 R2=0.973 3(見圖1)。

圖1 澄浪堰2011年 7月份比測圖表

3.2 誤差分析

根據(jù)這個(gè)關(guān)系式,得到2次水文測驗(yàn)斷面平均流速和指標(biāo)流速所計(jì)算得到的流量誤差分析見表1。

表1 2011年7月流量誤差分析表

從表1可知,SL和走航式ADCP的流量誤差在10%以內(nèi),且具有良好的線性關(guān)系。

4 低潮流量插補(bǔ) (VBA設(shè)計(jì))

由于淤積原因,導(dǎo)致SL測不到低潮流量,因此,采用直線插補(bǔ)的方法對(duì)低潮部分的流量進(jìn)行插補(bǔ)。

4.1 潮位合理性檢驗(yàn)

由于澄浪堰采用虹吸式水位臺(tái),進(jìn)水管淤積情況嚴(yán)重,為保持進(jìn)水管能夠順利進(jìn)水,每天在高低潮之間時(shí)段都要進(jìn)行沖水,導(dǎo)致潮位數(shù)據(jù)在瞬間升高。所以先要對(duì)不合理的潮位數(shù)據(jù),及采用這個(gè)潮位數(shù)據(jù)所得的斷面面積進(jìn)行修正。合理性檢驗(yàn)見圖2。

圖2 潮位合理性檢驗(yàn)圖

圖3 插補(bǔ)后的日流量過程線圖

4.2 流量插補(bǔ)及成果輸出

對(duì)SL測不到的指標(biāo)流速部分,用直線插補(bǔ)的方式,插補(bǔ)出指標(biāo)流速。由于SL在臨界狀態(tài)(將要測到或者測不到)的時(shí)候,流速變動(dòng)幅度較大,故插補(bǔ)范圍流速采用SL有效測區(qū)以外的時(shí)間段。再根據(jù)斷面平均流速和指標(biāo)流速的相關(guān)關(guān)系,計(jì)算出斷面平均流速。根據(jù)相應(yīng)潮位的斷面面積,推算出斷面流量 (見圖3)。

5 結(jié) 語

(1)固定式ADCP的流量測驗(yàn)?zāi)壳霸诩夹g(shù)上已經(jīng)比較成熟,測流時(shí)建立指標(biāo)流速與斷面平均流速之間的關(guān)系,就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線和遙測測流[3]。

(2)固定式 (岸式)ADCP需要安裝在河道的沖刷岸,如果淤積則低潮部分測不到,需要采用插值的方法,插值出來的流量精度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

(3)固定式(岸式)ADCP比傳統(tǒng)流速儀具有更高的精度,但對(duì)于儀器安裝位置的要求卻比較嚴(yán)格,儀器的垂直波速指向角為1.4°(斜率1∶40),即測量距離為25 m時(shí)儀器上下必須要有0.6 m的水深,否則將造成測量數(shù)據(jù)精度下降。

[1]張照余.ADCP在嘉興市水文測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2007(3):177-179.

[2]許云,楊曉斌.東溝流量站的SL率定分析 [J].水資源研究,2005,26(2):47-48.

[3]歐芳蘭.ADCP在感潮水文站的使用 [J].水利信息化,2011(1):40-43.