走航式聲學(xué)多普勒流速儀投產(chǎn)方法探討

蔣建平

（長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011）

0 引言

走航式聲學(xué)多普勒流速儀在投產(chǎn)前應(yīng)根據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》[1]的要求做多項比測，歷時一年甚至幾年，投入很多人力和物力，但很多時候因走航式聲學(xué)多普勒流速儀的選擇頻率、安裝方法、參數(shù)設(shè)置不同，斷面的水流特性復(fù)雜及環(huán)境等因素導(dǎo)致施測精度不能滿足要求而不能投產(chǎn)。為此憑借多年現(xiàn)場比測分析的經(jīng)驗，探討走航式聲學(xué)多普勒流速儀投產(chǎn)過程要求及比測方法。

1 選擇滿足現(xiàn)場施測條件的設(shè)備

走航式聲學(xué)多普勒流速儀精密度是進(jìn)行比測的前提，選擇合適頻率的走航式聲學(xué)多普勒流速儀、不受外界影響的羅經(jīng)及滿足精度的定位設(shè)備才能確保流速、流向及流量測驗的精度。設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)施測斷面的水流特性和現(xiàn)場環(huán)境確定。

1.1 多普勒流速儀選擇

走航式聲學(xué)多普勒流速儀只能實測斷面的中間部分，而上層盲區(qū)、底層旁瓣部分和不可到達(dá)的兩岸邊區(qū)需要推求。施測要求實測區(qū)越多越好，選擇儀器頻率要考慮斷面水深及泥沙含量等水文特性的影響，水深較淺的斷面宜選用高頻多普勒流速儀，水深較深的斷面則選擇低頻多普勒流速儀。水體中的泥沙含量會直接影響到超聲波的穿透性，當(dāng)含沙量較大的河流則要選擇較低頻率的儀器。

1.2 外部傳感器的選擇

走航式聲學(xué)多普勒流量測驗不需外接設(shè)備的條件是：不受磁場的干擾；河床不存在“動底”[2]（即聲學(xué)多普勒流速儀判斷底發(fā)生運(yùn)動）；河流含沙量不大等。因為測驗環(huán)境受磁場的干擾影響，會使聲學(xué)多普勒流速儀的內(nèi)置磁羅徑辨別測驗斷面方向困難或不準(zhǔn)確，造成流量測驗資料的計算誤差。河床存在“動底”，有違走航式聲學(xué)多普勒流速儀測驗計算原理“河底是固定不變的（即沒有‘動底’現(xiàn)象）”的假設(shè)[3]，造成底跟蹤失靈，船速測量失真，即此時的測船航行速度不能準(zhǔn)確地由底跟蹤回波多普勒頻移計算，最終造成流量測驗計算的較大誤差。河流含沙量較大時，也會造成聲學(xué)多普勒回波強(qiáng)度衰減快，使底跟蹤和水深測量失效，同樣給流量計算造成誤差。

1.2.1 外接羅經(jīng)

多普勒流速儀是利用聲學(xué)多普勒頻移效應(yīng)原理進(jìn)行流速、流向的測驗系統(tǒng)。目前，使用走航式聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行流量測驗的載體一般都是鐵質(zhì)測船，鐵質(zhì)測船對聲學(xué)多普勒流速儀的內(nèi)置磁羅徑的工作造成干擾，以及周圍高壓線、電臺、來往船只等各種影響磁環(huán)境的因素，使得施測的結(jié)果產(chǎn)生誤差。為解決鐵質(zhì)測船對聲學(xué)多普勒流速儀內(nèi)置磁羅徑的影響問題，需用外接羅徑來替代聲學(xué)多普勒流速儀的內(nèi)置磁羅徑，以獲取測驗斷面過程的正確方向值。

外接羅經(jīng)可根據(jù)施測的安裝條件及外部環(huán)境選擇電或 GPS 羅經(jīng)。

1.2.2 定位設(shè)備

當(dāng)走航式聲學(xué)多普勒流速儀流量測驗施測后只需要斷面流量而不需要垂線流速、流向時，可以不增加定位設(shè)備。

當(dāng)施測斷面的河床存在“動底”時，可選用“回路法”來解決“動底”對流量的影響，也可選擇外部定位設(shè)備施測走航式聲學(xué)多普勒流速儀運(yùn)動速度。

“回路法”雖可解決斷面河床存在“動底”導(dǎo)致的流量偏小問題，但需要摘錄斷面上垂線或測點流速時，該方法不可取。

選用定位設(shè)備替代聲學(xué)多普勒流速儀測量船速要考慮設(shè)備的定位精度，目前可選擇 GPS 和北斗等定位設(shè)備。GPS 分為 GGA 和 VTG 模式，但不同的模式要求設(shè)備精度也不同，當(dāng)選用 GGA 模式時要選擇至少分米級以上精度的定位設(shè)備（如 RTK GPS等），選用 VTG 模式時對定位精度沒有要求。通過配備定位設(shè)備可解決走航式聲學(xué)多普勒流速儀施測時有“動底”導(dǎo)致的流速、流量偏小問題，使有“動底”時流速、流量偏小都得到修正。

需要注意的是，選用 GGA 模式施測時盡可能直線運(yùn)動，選用 VTG 模式則應(yīng)勻速運(yùn)動，這樣才能使不同測量模式下選擇的設(shè)備測驗精度達(dá)到最高。

1.2.3 測深儀

當(dāng)含沙量較大時，底跟蹤可能失效，可調(diào)整參數(shù)進(jìn)行試測；若無法施測水深，則可外接不同于聲學(xué)多普勒流速儀頻率的回聲測深儀測深，但回聲測深儀只能施測到水深，而聲學(xué)多普勒流速儀在水較深處還是無法施測到流速、流向。所以不建議外接測深儀，可選擇頻率較低的聲學(xué)多普勒流速儀施測。

1.3 設(shè)備安裝

聲學(xué)多普勒流速儀可安裝在船頭、船弦的一側(cè)或穿透船體的井內(nèi)，儀器探頭的入水深度，應(yīng)根據(jù)測船航行速度、水面波浪大小、測船吃水深、船底形狀等因素綜合考慮，使探頭在整個測驗過程中始終不露出水面為好?？傊灰獫M足施測時探頭不露出水面，探頭安裝入水深越淺越好，這樣，施測的實測區(qū)將會增大，對于寬淺河流斷面更應(yīng)如此。

當(dāng)外接定位設(shè)備時，定位設(shè)備天線（如 GPS）需安裝在聲學(xué)多普勒流速儀探頭的正上方。《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》中對天線要求可以在1m 以內(nèi)，但在實際使用中會因船首轉(zhuǎn)彎等因素導(dǎo)致 GPS施測的速度不能代表聲學(xué)多普勒流速儀探頭位置速度，導(dǎo)致施測的速度可能偏大或偏小。

例如：2009年在長江下游某水文站進(jìn)行 GPS 位置安裝測試，施測時采用600Hz ADCP，因 ADCP 安裝在鐵質(zhì)測船上，外部羅經(jīng)采用的是 THALES3011GPS 羅經(jīng)，采用 GPS 羅經(jīng)的單機(jī)定位功能。GPS 羅經(jīng)安裝在 ADCP 探頭的前方 1.2m，偏右 0.5m。

測船以直線運(yùn)動方式施測，船首方向保持不變時施測的軌跡及流速矢量線如圖1所示，底跟蹤和VTG 模式下流速矢量線相對平行，大小基本一致。說明雖然 GPS 天線不在 ADCP 探頭的上方，但在直線運(yùn)動和船首保持相對穩(wěn)定的情況下，施測的數(shù)據(jù)也是正確的。

圖1 不同模式下流速矢量比較

當(dāng)測船以“S”型運(yùn)動方式施測，施測的軌跡及流速矢量線如圖2所示，底跟蹤模式下流速矢量線相對平行，流速大小基本一致，而 VTG 模式下流速矢量線出現(xiàn)有規(guī)則的長短變化，這說明 GPS 天線與ADCP 探頭的位置安裝不在同一位置，雖然施測的流向正確，但因 GPS 施測的船速不能代表 ADCP 探頭運(yùn)動速度而導(dǎo)致流速錯誤。

圖2 不同模式下流速矢量比較圖

外部羅經(jīng)的安裝指向應(yīng)與船首方向一致，并與聲學(xué)多普勒流速儀探頭剛性連接，這樣才能保證外部羅經(jīng)的方向代表聲學(xué)多普勒流速儀的運(yùn)動。

測深儀換能器宜垂向安裝在聲學(xué)多普勒流速儀同側(cè)，測量過程中換能器不應(yīng)露出水面并應(yīng)防止發(fā)生空蝕。

總之，設(shè)備的安裝應(yīng)嚴(yán)格安裝要求進(jìn)行，否則將直接影響到測驗的精度。

2 投產(chǎn)比測參數(shù)的確定方法

聲學(xué)多普勒流速儀在投產(chǎn)之前都需要與轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行比測，比測的內(nèi)容很多，但主要尋找適合斷面水流特性的各種影響流速、流量的參數(shù)，如垂線上下盲區(qū)推求系數(shù)[4]等。

2.1 流速比測

用轉(zhuǎn)子式流速儀比測需要注意時間要同步，每點比測歷時應(yīng)大于100s，聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)要合并后摘錄，這樣才有可比性。例如：2007年，在長江下游某站進(jìn)行了測點流速比測，比測流速在0.23～2.57m/s，最大相對標(biāo)準(zhǔn)差 10.7%，系統(tǒng)誤差2.97%。

通過測點流速的比測，一方面確認(rèn)聲學(xué)多普勒流速儀的精度，施測的資料是否與轉(zhuǎn)子式流速儀屬于同一系列資料；另一方面，通過斷面高、中、低不同水位位置的垂線測點流速的比較，了解斷面是否存在著“動底”現(xiàn)象，以便確定流量選用設(shè)備及測驗?zāi)Ｊ健?/p>

2.2 垂線上下盲區(qū)推求系數(shù)

冪函數(shù)指數(shù)可利用已有高、中、低不同水位級多線多點法實測測點流速資料概化，并求得不同垂線和斷面概化流速分布冪指數(shù)。

由于垂線流速分布受到紊流、回流、水面氣象等因素影響，因此分布十分復(fù)雜，指數(shù)流速分布是在假定流速沿垂線分布服從曼寧公式的情況下的近似，針對水文斷面不同測次不同垂線擬合的指數(shù)也不同，只能用1個綜合的指數(shù)來進(jìn)行流速分布擬合。例長江下游某站選取斷面21條垂線的5點法資料分析，如表1所示，斷面冪函數(shù)指數(shù)變化范圍為0.0347～0.2670，平均值為 0.1708。垂線流速分布可以采用指數(shù)流速分布規(guī)律進(jìn)行擬合和內(nèi)插，且在比測資料中采用 1/6指數(shù)和斷面平均計算值 0.1708，與 1/6指數(shù)在軟件中回放，斷面流量在 11800～48700m3/s 時相對偏大 0.03%～0.06%。

表1 垂線流速分布冪指數(shù)統(tǒng)計表

所以，冪函數(shù)指數(shù)直接影響到上下盲區(qū)流速的推求，即聲學(xué)多普勒流速儀施測的斷面區(qū)域上下盲區(qū)流速及流量，對斷面流量成果精度有直接的影響，特別是流速垂向分布。

2.3 流量比測

流量比測除了走航式聲學(xué)多普勒流速儀要滿足斷面測量的精度要求外，還要與轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行精度的比測。根據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》測驗精度要求，走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀施測成果（每次2個測回）與轉(zhuǎn)子式流速儀比測單次流量測驗系統(tǒng)誤差應(yīng)在 -2%～1% 之間；總隨機(jī)不確定度小于 5%～9%，這樣才能保證走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀施測成果與轉(zhuǎn)子式流速儀成果為同一系列資料。

從表2的長江下游某站38次流量比測資料可以看出，在 GPS 模式下，系統(tǒng)誤差與總隨機(jī)不確定度滿足要求。流速儀施測流量在63400m3/s時，GPS模式下流量為64400m3/s，偏大1000m3/s；而底跟蹤模式下流量在53400m3/s，偏小10000m3/s。所以在比測過程中，當(dāng)走航式聲學(xué)多普勒流速儀施測流量偏小時，需及時檢查斷面是否有“動底”現(xiàn)象。

表2 流量比測特征值統(tǒng)計表

3 加快走航式聲學(xué)多普勒流速儀投產(chǎn)方法探討

3.1 比測測次

《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》明確了流量測驗比測分析報告要對影響精度的流速、流量、岸邊部分流量采用系數(shù)，以及垂線流速分布與插補(bǔ)模型的適應(yīng)性進(jìn)行分析。目前，對流速、流量的精度統(tǒng)計分析的最少樣本數(shù)要求是30個，從近幾年的長江中下游投產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)走航式聲學(xué)多普勒流量測驗系統(tǒng)在外部復(fù)雜環(huán)境下配備必要的外部傳感器及安裝都滿足要求時，流速、流向及流量正確性是能滿足要求的，只需對針對測驗斷面的水流特性影響的垂線流速分布與插補(bǔ)模型等參數(shù)分水位級進(jìn)行率定，可采用邊比測邊投產(chǎn)的方案，這樣不僅可以節(jié)約人力財力，而且可以縮短投產(chǎn)周期。

所以在比測投產(chǎn)中，上級技術(shù)主管部門更需對走航式聲學(xué)多普勒流量測驗系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置、安裝及參數(shù)設(shè)置檢查。

3.2 對于小流量的精度控制

對于小流量的精度控制可以根據(jù)現(xiàn)場情況確定，因流量較小時相對誤差較大，2個測回都小于5% 的要求往往達(dá)不到，現(xiàn)在美國地調(diào)局也放棄了2個測回滿足小于 5% 的控制方法，而采用時間長度來控制斷面流量測驗精度[5]，所以，相關(guān)技術(shù)主管部門可根據(jù)斷面水流特性和比測分析結(jié)果，制定相關(guān)規(guī)定。

對于因水位變率快或水流特性導(dǎo)致的流量快速變化的斷面，也可分析制定相關(guān)規(guī)定。

3.3 參數(shù)

參數(shù)的設(shè)置不同，直接影響走航式聲學(xué)多普勒流量測驗成果，可通過比測分析，對選擇的聲學(xué)多普勒流速儀、外部傳感器等參數(shù)進(jìn)行固定，確保成果的一致性。

4 結(jié)語

走航式聲學(xué)多普勒流速儀作為流量測驗系統(tǒng)存在著局限性，除了應(yīng)嚴(yán)格按照要求進(jìn)行配置和施測外，投產(chǎn)前還要進(jìn)行繁重的不同參數(shù)的比測工作。隨著對走航式聲學(xué)多普勒流速儀的掌握，投產(chǎn)比測可逐步簡化，使得既能滿足精度要求，又能節(jié)約人力財力縮短投產(chǎn)周期，這需要技術(shù)主管部門根據(jù)具體實際情況作更多的分析來確定。

[1] 中華人民共和國水利部.SL337-2006聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范[S].北京：中國水利出版社，2006:9-10.

[2] 蔣建平，段云雁.ADCP 流量測驗時底跟蹤失效的解決方案[J].水利水電快報，2008,29（增刊 1）: 190-195.

[3] 田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，2003: 20.

[4] 蔣建平，張孝軍，劉漢偉.走航式聲學(xué)多普勒流速儀流量測驗質(zhì)量管理[C]//中國水文科研新發(fā)展—2012年中國水文學(xué)術(shù)討論會論文集.北京：水利部水文局，2012:398-405.

[5] 黃河寧，席占平.關(guān)于提高走航 ADCP 流量測驗精度的探討[J].河南水利與南水北調(diào)，2011（4）: 49-51.