含沙量對H-ADCP推流的影響及其解決方法

黃士穩(wěn)，嚴 甬，呂耀光

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

聲學多普勒流速剖面儀 （ADCP）已在流量測驗的各個方面取得廣泛應用。之江水文站采用水平式聲學多普勒流速儀 （H-ADCP）和走航式聲學多普勒流速剖面儀相結合的方法對錢塘江河口區(qū)實現(xiàn)了潮流量實測及資料整編［1］，青陽匯水文站在平原河網(wǎng)成功應用H-ADCP對流量進行實測［2］，陳金浩［3］等利用走航式ADCP測驗斷面流速流向分布。ADCP回波強度和含沙量具有明確的相關關系，例如，張志林［4］等利用ADCP反向散射強度估算懸沙濃度，英曉明［5］等基于ADCP和OBS觀測洋山港關鍵斷面水沙通量。ADCP是聲學原理儀器［6］，一方面其必須依靠水中的顆粒物反射來計算頻移，要求水中有一定含量的顆粒物（主要指泥沙）；另一方面，水中顆粒物含量不能太高，太高會導致聲波被大量吸收而造成回波強度有效距離變短，達不到設計要求，從而影響斷面流量的計算。這種情形是客觀存在的，解決泥沙對ADCP的影響，能否通過后續(xù)處理降低影響，目前研究較少。

2 含沙量對H-ADCP測流有效距離的影響

H-ADCP是以固定發(fā)射聲波測量水體流速的儀器。通過測定水體中被懸浮物質 （浮游生物和泥沙）反射回來的反向散射回波相位或頻率的變化，將回波轉化成沿聲學波束的速度分量，再根據(jù)剖面大小計算流量。聲吶方程［7］（Urick，1975年）包含：聲傳播區(qū)、散射強度區(qū)、聲源電平和傳輸損失等。其中傳輸損失是到聲傳播區(qū)的距離和水體吸收系數(shù)的函數(shù)，包括因擴散和吸收導致的損失。在H-ADCP的應用中，由泥沙引起的傳輸損失較為顯著。

2.1 測流有效距離縮短的表現(xiàn)及對推流結果的影響

在泥沙含量較低和泥沙含量較高的情況下，H-ADCP測流有效距離的變化見圖1和圖2。圖1和圖2中，①號曲線是理論上H-ADCP發(fā)射聲波的回波強度隨距離的變化，②號和③號曲線分別是實測的H-ADCP的2個換能器所發(fā)射聲波的回波強度隨距離的變化。從圖1和圖2的對比可以看出，在泥沙含量較高的情況下，測流有效距離在35m附近時 （見圖2虛豎線）回波強度的數(shù)值已衰減到50以下，不能被儀器識別，較其理想狀態(tài)下的120m （見圖1）大為縮短。

圖1 泥沙含量較低時回波強度隨距離的變化圖

圖2 泥沙含量較高時回波強度隨距離的變化圖

當H-ADCP不受泥沙影響時，回波有效距離可達到120m。以之江水文站H-ADCP實測數(shù)據(jù)來說明測流有效距離縮短對流量的影響。打開儀器的多剖面模式，為避開岸邊的紊流，將H-ADCP的盲區(qū)設置為5m，H-ADCP水平方向朝河心5～80m范圍內的流速作為指標流速。將所測5～80m范圍水域在水平方向進行平均劃分，共分成10個部分，每部分稱為1個流層，每個流層寬度為7.5m。正常情況下，根據(jù)流速沿斷面的分布規(guī)律，從岸邊往河心是逐漸增大的，后文以實測數(shù)據(jù)來說明之江站斷面HADCP所實測范圍內的流速分布情況。選取時刻為2013年10月7日22：24，經(jīng)查，該時刻水流平穩(wěn)，水位正常，為較典型的代表時刻。該時刻H-ADCP所測到的10個流層的流速數(shù)據(jù)見圖3，流層1～4代表了5～35m范圍內的流速，其平均值為0.96m／s，流層1～10代表了5～80m范圍內的流速，其平均值為1.25m／s，若以5～35m范圍內的流速代表5～80m范圍內的流速，其誤差為23.2%，反映到流量上同樣為23.2%，可見回波有效距離縮短對流量的影響是十分顯著的。

圖3 H-ADCP多流層數(shù)據(jù)圖

2.2 測流有效距離縮短發(fā)生時段分析

測流有效距離縮短主要發(fā)生在洪水的后半段、涌潮到來時等含沙量較高的時段。根據(jù)之江水文站水質自動站數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)濁度和測流有效距離密切相關。當濁度值超過70NTU時，測流有效距離開始縮短；當濁度值達到94NTU時，測流有效距離縮短至70m；當濁度值達到116NTU時，測流有效距離縮短至60m。通過對之江水文站2012年全年的H-ADCP診斷數(shù)據(jù)的分析，可以得到測流有效距離在不同距離段的時間長短分布 （見表1）。從表1可以看出，測流有效距離縮短至30，40m等的歷時占全年比例較少，但是測流有效距離縮短往往發(fā)生在較大洪水和大潮汛涌潮到來期間，流速較大，對整體的水量計算影響較大，因此測流有效距離的縮短是不可忽視的。

表1 之江水文站2012年H-ADCP測流有效距離時長分布表

3 解決方法

本文以錢塘江之江水文站H-ADCP流量實時在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，探討H-ADCP在含沙量較大、測流有效距離縮短情況下的解決方法。

3.1 之江水文站流量實時在線監(jiān)測系統(tǒng)

之江水文站斷面寬度955m，在斷面的左右岸各安裝1臺H-ADCP。儀器選用的是頻率為500k H z的HADCP，儀器最大實測距離120m。儀器安裝示意圖見圖4。

圖4 H-ADCP在之江水文站安裝示意圖

H-ADCP可連續(xù)監(jiān)測所測量范圍內的流速。在HADCP連續(xù)監(jiān)測的同時，使用走航式聲學多普勒流速儀開展全斷面流量測驗，全斷面流量測驗選取大、中、小典型潮時期進行。走航式聲學多普勒流速儀可測得斷面平均流速，然后取得H-ADCP在走航式聲學多普勒流速儀實測相應時段內所監(jiān)測到的流速。以斷面平均流速為橫坐標，以H-ADCP所測相應時段流速為縱坐標，進行曲線擬合，所擬合出的曲線要求通過三性檢驗且隨機不確定度最?。?］。推流時，根據(jù)H-ADCP所測流速，通過擬定的關系曲線計算得到斷面平均流速，然后通過水位得到斷面面積，斷面平均流速和斷面面積相乘可得斷面實時流量［9］。

3.2 分段定線法

前文已描述泥沙對回波強度有效距離及推流數(shù)據(jù)的影響，為了彌補H-ADCP的不足，提出根據(jù)H-ADCP的回波強度有效距離分段定線，即定出5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80等6條曲線。具體做法為：打開H-ADCP的數(shù)據(jù)后處理軟件，將10個流層的流速數(shù)據(jù)導出到EXCEL表里，在擬定5～30m曲線時，選取10個流層的第1～4流層的平均流速作為指標流速，和同時段的斷面平均流速組成一組數(shù)據(jù)，這樣，不同流速級就有若干組數(shù)據(jù)，然后以斷面平均流速為橫坐標，以多流層平均流速作為指標流速擬定關系曲線。所定關系曲線示見圖5。

圖5 5～30m關系曲線示例圖

在5～40m曲線定線時，選取10個流層的第1～5流層的平均流速作為指標流速，依照擬定5～30m曲線的方法擬定出5～40m曲線，根據(jù)距離依次類推，直到將6條曲線全部定出，畫在同一圖上 （見圖6）。第一象限內順時針開始分別是5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80m等6條曲線。

圖6 六條曲線示例圖

3.3 分曲線推流

在推流時，應首先作一個判斷，即根據(jù)H-ADCP測流有效距離來決定使用哪條曲線進行推流。例如，若有效距離縮短至35m，則采用5～30m曲線，若縮短至55m，則采用5～50m曲線。在具體應用時，可編寫程序對流量系列進行批量處理。從圖6中6條曲線的分布來看，第一象限內，5～80m曲線在最下方，5～30m曲線在最上方，選用5～30m曲線所推出流量較5～80m的要大，彌補了因回波距離縮短而產(chǎn)生的誤差。為了進一步證實，以實測數(shù)據(jù)來說明使用該方法的效果。為了能更好地說明問題，選取具有代表性的實測數(shù)據(jù)。2011年6月15日08：54—09：43，走航式聲學多普勒流速儀實測流量14800m3／s，袁浦H-ADCP實測平均流速0.39m／s，聞堰H-ADCP實測平均流速1.46m／s，平均水位7.07m。首先使用5～80m曲線進行推流，推出流量為11600m3／s，和實測誤差22%。經(jīng)查詢該時間段H-ADCP診斷數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于受泥沙影響H-ADCP回波強度有效距離已縮短至50m，故采用5～50m曲線進行推流，推出流量為14100m3／s，和實測流量誤差為4.7%。2012年3月6日09：02—09：45，走航式聲學多普勒流速儀實測流量10800m3／s，袁浦HADCP實測平均流速0.61m／s，聞堰H-ADCP實測平均流速1.29m／s，平均水位6.15m。首先使用5～80m曲線進行推流，推出流量為9360m3／s，和實測誤差15.3%。經(jīng)查詢該時間段H-ADCP診斷數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于受泥沙影響H-ADCP回波強度有效距離已縮短至55m，故采用5～50m曲線進行推流，推出流量為10600m3／s，和實測流量誤差為1.9%，已較為精確。

采用分段定線、分曲線推流的方法使推求出的流量和實測值已非常接近，推流成果合理性大大提高。

3.4 對硬件改進的討論

上述僅討論了在現(xiàn)有硬件條件下通過后續(xù)計算來彌補H-ADCP回波強度有效距離縮短所帶來的影響，HADCP硬件改進值得進一步探討。影響回波強度的關鍵因素是泥沙含量，泥沙含量無法人為改變，這是客觀事實，因此只能從聲波獲得更強的穿透力方面入手。回到聲吶方程，換能器發(fā)射功率用可用S L描述：

式中：I是換能器方向上離換能器中心1m處的聲強；I0為參考聲強，取值為0.67×10-22W／c m2。換能器功率和聲強是對數(shù)關系，要增大聲強，需要成倍增加換能器發(fā)射功率，但增大功率會帶來更大的功耗，因此需均衡考慮。二是降低儀器的頻率，聲波的頻率更低，穿透力會更強，但需要犧牲一定的精度。綜合考慮以上因素，希望生產(chǎn)廠家能生產(chǎn)出功率可調、頻率可調的H-ADCP，即在預計洪水將要到來、泥沙含量會增大時，一方面可加大儀器的發(fā)射功率，使聲波傳輸?shù)酶h；另一方面，可降低儀器的發(fā)射頻率，聲波獲得更好的穿透力，以得到更遠的回波距離。

4 結 語

H-ADCP在含沙量較高的情況下測流有效距離會明顯縮短，因此影響了根據(jù)指標流速所推算出的流量，其誤差甚至達到20%，達不到流量實時在線監(jiān)測的設計要求。提出采用多流層數(shù)據(jù)進行分段定線，然后根據(jù)回波強度有效距離選取合適的曲線進行推流。這一方法彌補了測流有效距離縮短引起的流量誤差，和實測值誤差在5%以內，其效果是十分顯著的。本文提出的方法在基本不增加成本的情況下，有效地減小了H-ADCP推流誤差，增強了H-ADCP的實用性。

［1］呂耀光，黃士穩(wěn).錢塘江河口區(qū)聲學多普勒測流及資料整編［J］.河海大學學報：自然科學版，2010，38（6）：680-687.

［2］張照余.聲學多普勒測流儀在平原感潮河段測驗穩(wěn)定性驗證［J］.浙江水利科技，2006（6）：47-49.

［3］陳金浩，呂耀光.ADCP在斷面流速流向分布測驗中的應用［J］.水電能源科學，2012，30 （10）：51-53.

［4］張志林，鄧乾煥，朱巧云，等.基于ADCP反向散射強度估算懸沙濃度在洋山港的應用研究 ［J］.水文，2011，31（2）：62-63.

［5］英曉明，丁平興，胡克林，等.基于ADCP和OBS觀測的洋山港關鍵斷面水沙通量研究 ［J］.泥沙研究，2010（2）：21-22.

［6］田淳，劉少華.聲學多普勒測流原理及其應用 ［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003：181-182.

［7］尤立克R J.水聲原理 ［M］.3版.洪申，譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990：15-17.

［8］中華人民共和國水利部.SL 247—2012，水文資料整編規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［9］中華人民共和國水利部.GB 50179—93，河流流量測驗規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，1993.