M9在黑龍江干流封凍期流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

張 羽，柳 恒，趙 明，任寶學(xué)

（松遼委水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河164300）

1 聲學(xué)多普勒流速剖面儀

1.1 簡(jiǎn)介及測(cè)流原理

SonTek/YSI 公司歷經(jīng)數(shù)年結(jié)合全球應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)研究開發(fā)的RiverSurveyor M9 聲學(xué)多普勒水流剖面儀，體積小巧、功能強(qiáng)大、易于操作，內(nèi)置微處理器直接計(jì)算流量并保存數(shù)據(jù)，無(wú)需依靠外部程序，數(shù)據(jù)也不會(huì)因通訊中斷而丟失?？蛇M(jìn)行走航式和定點(diǎn)式流量側(cè)驗(yàn)。

M9 型聲學(xué)多普勒流速剖面儀配有9 個(gè)換能器,換能器與ADP 軸線成一定夾角,每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射固定頻率的聲波,然后接收水中顆粒物散射回來(lái)的和水流速度相同,則當(dāng)顆粒物接近換能器時(shí),換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高; 當(dāng)顆粒物背離換能器時(shí),換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波的頻率低。聲學(xué)多普勒頻移(即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差)的計(jì)算式為

式中: FD為聲學(xué)多普勒頻移；F 為發(fā)射聲波的頻率；v 為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度（即沿聲束方向的水流速度）；C 為聲波在水中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離。

1.2 定點(diǎn)測(cè)量方法及流量計(jì)算

聲學(xué)多普勒流速剖面儀封凍期定點(diǎn)測(cè)量方法遵循于ISO 國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的流速面積測(cè)量技術(shù)（類似于我國(guó)常用的轉(zhuǎn)子式流速儀斷面布設(shè)垂線的測(cè)驗(yàn)方法）。通常，沿著測(cè)量的斷面線，布設(shè)若干條測(cè)量垂線，以獲得更精確的垂線剖面的代表垂線平均流速，從而通過計(jì)算，得到過水?dāng)嗝娴牧髁?。封凍期定點(diǎn)測(cè)流方式就是在斷面上布設(shè)冰孔，通過冰孔施測(cè)流速和水深。每個(gè)冰孔看作是一條測(cè)量垂線，M9 通過定點(diǎn)測(cè)量軟件RiverSurveyor Stationary Live 測(cè)量冰孔部位水深和垂線剖面的平均流速，再由冰孔間距，從而計(jì)算出流量。

水深通過8 個(gè)測(cè)速波束計(jì)算獲得，也可以通過1 個(gè)垂直波束實(shí)測(cè)獲得，或者采用其它測(cè)量水深的方法（例如采用測(cè)桿或其它測(cè)深設(shè)備）人工輸入到定點(diǎn)測(cè)量軟件中而獲得水深數(shù)據(jù)。垂線剖面的平均流速是通過測(cè)量到的河床以上所有有效測(cè)量單元的流速進(jìn)行計(jì)算而獲得。每條部分垂線的寬度即相鄰兩冰孔的間距。

2 垂線及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

由于俄方未允許全江測(cè)驗(yàn)，所以儀器比測(cè)在卡倫山站基本斷面進(jìn)行半江測(cè)試，10 條垂線，選定10 個(gè)冰孔，間距30～40 m。

M9 換能器放在冰底或冰花底部以下0.10 m 處，一點(diǎn)法。流速儀采用LS1206B 型懸索測(cè)流，根據(jù)有效水深，確定垂線測(cè)點(diǎn)數(shù)量和相對(duì)位置，測(cè)點(diǎn)布設(shè)見表1。

表1 流速儀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3 參數(shù)設(shè)置

3.1 流速系數(shù)

M9 岸邊流速系數(shù)α：水深均勻地變淺至零的斜坡岸邊α 值取0.67～0.75；陡岸邊，不平整時(shí)α 值取0.8，光滑時(shí)α 值取0.9。

岸邊流量估算通常采用岸邊區(qū)域平均流速乘以部分面積而得，岸邊區(qū)域平均流速Vα按下式計(jì)算：

式中：Vm——為起點(diǎn)微斷面（近似垂線）或終點(diǎn)微斷面內(nèi)的深度平均流速；α——為岸邊流速系數(shù)。

卡倫山、上馬廠站采用流速儀法測(cè)流時(shí)，岸邊流速系數(shù)取0.70 來(lái)估算岸邊流量。根據(jù)兩站岸邊實(shí)際情況，M9 岸邊流速系數(shù)定為0.7，與流速儀法相同，中間部分采用1.0。

3.2 其它參數(shù)

M9 可以應(yīng)用走航式軟件測(cè)算磁北艘向（方位角），這是沿著斷面線從左岸指向右岸的羅盤方向?？▊惿綔y(cè)得為326°，上馬廠為224°。水溫儀器默認(rèn)為15 ℃，由于北方河流冬季水溫較低，對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響，故流量數(shù)據(jù)處理時(shí)溫度采用儀器工作時(shí)的水體溫度平均值加以修正，鹽度參數(shù)設(shè)置為0。冰厚或冰花厚用量冰尺人工觀讀，M9 和流速儀采用相同冰厚數(shù)據(jù)。

4 比測(cè)參數(shù)

4.1 定點(diǎn)流速

M9 使用懸桿進(jìn)行冰孔測(cè)驗(yàn)，換能器放在冰底或冰花底部以下0.10 m 處，一點(diǎn)法測(cè)平均流速。流速儀流速采用各測(cè)點(diǎn)算數(shù)平均值代表垂線流速。

4.2 流量比測(cè)

M9 與LS1206B 型常規(guī)流速儀同水位狀態(tài)下比測(cè)流量，流速儀流量按照部分平均法加和求得。M9 儀器根據(jù)水深自動(dòng)給出采樣單元數(shù)，流量計(jì)算軟件設(shè)定為部分平均法計(jì)算流量。

5 比測(cè)結(jié)果

5.1 流量比測(cè)結(jié)果分析

M9 和流速儀定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)采用具有代表性的樣本進(jìn)行分析[2]，流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出M9 和LS1206B 兩套系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，流量誤差在2%以內(nèi)。M9 測(cè)回內(nèi)偏差也在1%以內(nèi)，儀器性能穩(wěn)定，效果理想。

5.2 流速比測(cè)結(jié)果[3]

LS1206B 施測(cè)垂線平均流速與M9 施測(cè)流速吻合較好，施測(cè)樣本對(duì)應(yīng)冰孔兩者相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。測(cè)點(diǎn)歷時(shí)采用100 s，很好地克服了脈動(dòng)現(xiàn)象的影響。部分冰孔由于冰底有流動(dòng)的冰塊儀器無(wú)法入水施測(cè)，無(wú)數(shù)據(jù)。流速測(cè)次數(shù)據(jù)見表3。

表2 M9 和流速儀測(cè)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)

表3 M9 和LS1206B 流速儀施測(cè)流速數(shù)據(jù)m/s

6 比測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

6.1 測(cè)驗(yàn)結(jié)果

M9 和流速儀法流量的比測(cè)結(jié)果理想，流量誤差在2%以內(nèi)，兩者對(duì)應(yīng)垂線平均流速也在5%內(nèi)，達(dá)到規(guī)范要求。

6.2 測(cè)驗(yàn)誤差

由于黑龍江冬季冰層較厚，河底經(jīng)常有冰花的存在，儀器是依靠聲波的發(fā)射和接收，聲波在發(fā)射和接收過程中，會(huì)受到各種非流速因素的干擾和影響,尤其是冰期水下冰花較多，冰花或冰塊對(duì)換能器有一定的干擾，這種干擾和影響若超過一定的范圍則會(huì)產(chǎn)生流速誤差。所以觀讀冰厚時(shí)要弄清是否有冰花的存在，并要測(cè)得冰花厚度，以使儀器操作軟件開啟帶有冰花情況下的測(cè)量模式，測(cè)得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

6.3 測(cè)驗(yàn)心得

為提高精度和減小誤差，測(cè)驗(yàn)中積累了一些經(jīng)驗(yàn)：

1）在每一次流量測(cè)量之前，進(jìn)行羅盤校正。羅盤校正可用來(lái)補(bǔ)償該測(cè)量地點(diǎn)的磁場(chǎng)對(duì)儀器內(nèi)羅盤的影響。將儀器旋轉(zhuǎn)完整的3 個(gè)圓周，在旋轉(zhuǎn)的過程中，盡可能地?fù)u動(dòng)換能器，并改變羅盤的縱搖和橫搖的姿態(tài)。2）要準(zhǔn)確測(cè)得方位角。3）要精確測(cè)量出M9 換能器入水深度及所處冰底或冰花底部的位置。4）連接換能器的懸桿要保證無(wú)磁性，去除外來(lái)磁場(chǎng)對(duì)儀器干擾；懸桿要牢固，避免換能器在冰孔中晃動(dòng)。

7 結(jié) 語(yǔ)

M9 作為先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)儀器，在流量測(cè)驗(yàn)中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，2013年黑龍江干流大洪水期，M9 型聲學(xué)多普勒流速剖面儀完成了在高水位、高流速情況下的洪水測(cè)驗(yàn)任務(wù)，儀器性能穩(wěn)定，效果良好。冰期使用M9 進(jìn)行定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)，代替了爬犁和鉛魚等笨重的測(cè)驗(yàn)設(shè)備，操作輕便，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，測(cè)驗(yàn)歷時(shí)較傳統(tǒng)方法縮短了約2/3 的時(shí)間，大大提高了工作效率，縮短了江上作業(yè)時(shí)間。經(jīng)過比測(cè)精度達(dá)到了水文測(cè)驗(yàn)要求，M9 已經(jīng)投入到黑龍江干流冬季流量測(cè)驗(yàn)中去。作為一種有有別于傳統(tǒng)方式、高科技新型的水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備，可供研究和挖掘的東西尚有很多，只有不斷的總結(jié)和摸索，充分發(fā)揮其性能，才能為水文事業(yè)發(fā)揮更大的作用。

［1］ SL337-2006，聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.

［2］ 宋志宏，田淳.聲學(xué)多普勒流速剖面儀在長(zhǎng)江口的應(yīng)用［J］. 水文，1997（6）.

［3］ 水利部珠江水利委員會(huì)水文水資源勘測(cè)中心.ADCP 比測(cè)成果報(bào)告［R］.2002.