探求垂線測(cè)點(diǎn)流速關(guān)系的新方法

李圣山，陳莉紅，黃韶波

（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州450004）

1 背 景

水文流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在洪水漲落急劇或者漂浮物過(guò)多時(shí)，用傳統(tǒng)流速儀施測(cè)流速，不能采用多點(diǎn)法施測(cè)時(shí)，只好采用水面一點(diǎn)法施測(cè)水面流速，利用水面流速和垂線平均流速建立關(guān)系確定的系數(shù)來(lái)推求垂線平均流速。采用水面一點(diǎn)法推求垂線平均流速，在水文流量測(cè)驗(yàn)中是一種常見(jiàn)的方法，但是水面流速和垂線平均流速的關(guān)系不是一個(gè)恒定值，在不同的河道內(nèi)，會(huì)有所不同。為確定水面流速和垂線平均流速的系數(shù)，需要采用多點(diǎn)法施測(cè)，獲取足夠多的數(shù)據(jù)來(lái)分析確定水面流速和垂線平均流速的關(guān)系，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著社會(huì)科技的發(fā)展，目前探索一種新的方法來(lái)確定水面流速和垂線平均流速的關(guān)系是必要的，也是可行的。

近年隨著流量測(cè)驗(yàn)新一代儀器走航式ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）的引進(jìn)應(yīng)用，ADCP 在操作上具有簡(jiǎn)單、快捷，在獲取數(shù)據(jù)上具有垂線數(shù)目多、測(cè)點(diǎn)分布多等特點(diǎn)，不僅可以減少人力、物力，而且可以提高測(cè)驗(yàn)精度，目前使用ADCP 施測(cè)流量也變成一種新常態(tài)。因此可以探求利用ADCP 的數(shù)據(jù)來(lái)分析新測(cè)驗(yàn)斷面上水面流速與垂線平均流速的關(guān)系。

2 ADCP 測(cè)流原理

走航式ADCP 測(cè)流原理與傳統(tǒng)流速儀測(cè)流的原理基本是一樣的，都是在測(cè)流面上布設(shè)垂線，在每條垂處測(cè)量水深和流速，推求垂線平均流速，只是獲取數(shù)據(jù)的方法不同而已。ADCP 所測(cè)的垂線數(shù)目比傳統(tǒng)流速儀測(cè)的垂線數(shù)目要多很多，每條垂線上測(cè)點(diǎn)也很多。

測(cè)流原理：ADCP 儀器一般都是通過(guò)按一定規(guī)則排列的幾個(gè)聲波換能器，其探頭向水體中發(fā)射脈沖聲波，然后接收來(lái)自水體中挾載的浮游生物、泥沙小顆粒等反射體的反射信號(hào)，依據(jù)反射信號(hào)的多普勒頻移計(jì)算水相對(duì)于ADCP 的運(yùn)動(dòng)速度矢量；利用測(cè)底脈沖測(cè)量水深及測(cè)船相對(duì)于地球的速度矢量，取兩者矢量差值就是要測(cè)量的流速矢量。用航行速度乘以時(shí)間可計(jì)算出水面寬。有了水深、水面寬和流速，即可計(jì)算流量。

其流速測(cè)驗(yàn)原理如下式：

式中：V——徑向速度，mm/s；FD——多普勒頻移，NZ；FS——ADCP 聲波頻率，KHZ；C——聲速，m/s。

其流量測(cè)驗(yàn)原理如下式：

式中：Q——流量，m3/s；n——L 點(diǎn)法向單位矢量，L為橫渡河流路徑上任意一點(diǎn)；u——流量矢量；z——水深，積分取水面至水底和此岸至彼岸，m。

對(duì)于某一測(cè)流斷面，ADCP 只能測(cè)出該斷面中部區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，這個(gè)區(qū)域稱為ADCP 實(shí)測(cè)區(qū)，但在斷面四個(gè)邊緣區(qū)域內(nèi)不能提供有效的測(cè)量數(shù)據(jù)：第一個(gè)區(qū)域?yàn)樗?，其厚度大約為ADCP 換能器入水深度ADCP 盲區(qū)，以及單元尺寸一半之和；第二個(gè)區(qū)域?yàn)楹拥?，稱為“旁辨”區(qū)（河底對(duì)聲束的擾區(qū)），其厚度取決于ADCP 換能器軸線傾角；第三和第四個(gè)區(qū)域?yàn)楹舆厖^(qū)域。這四個(gè)區(qū)域稱為非實(shí)測(cè)區(qū)，這部分區(qū)域數(shù)據(jù)需通過(guò)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)外延來(lái)推算。

3 探求方案

在斷面上進(jìn)行ADCP 測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)要求符合相應(yīng)規(guī)范要求，ADCP 選取盲區(qū)為0.05 m 的儀器，探頭入水深度0.10 m，水深單元高度0.05 m，從ADCP 測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取水深大于3.0 m 垂線數(shù)據(jù)，將水層單元流速通過(guò)一定的計(jì)算方法轉(zhuǎn)換為相對(duì)水深處的流速，這里是按照垂線5 點(diǎn)法符合相應(yīng)規(guī)范（水面、0.2，0.6，0.8，河底）要求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)水深處的流速。

這種方法可以推求水面和水深0.2 m 處的測(cè)點(diǎn)流速與垂線平均流速的關(guān)系，這里選擇探求水面流速與垂線平均流速的關(guān)系。

測(cè)點(diǎn)流速：當(dāng)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)水深在有效水層范圍內(nèi)時(shí)用直線內(nèi)插推求流速流向，獲取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的流速。當(dāng)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)水深在有效水層范圍外時(shí)，按照流速儀測(cè)流時(shí)一般是測(cè)水下0.1 m 處測(cè)點(diǎn)流速，ADCP 數(shù)據(jù)中，水面距離有效水層長(zhǎng)度=盲區(qū)0.05 m+探頭入水深度0.1 m+單元長(zhǎng)度0.05 m=0.2 m，水深大于3.0 m 時(shí)，所占百分比較小，因此可以用直線外推法獲取表層與底層測(cè)點(diǎn)流速。

4 計(jì)算成果

為了對(duì)求得的系數(shù)具有適應(yīng)性，選擇一處斷面，外業(yè)實(shí)驗(yàn)按流量3 個(gè)等級(jí)分別進(jìn)行：900 m3/s，1 700 m3/s，2 500 m3/s。

1）流量為900 m3/s 時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2）流量為1 700 m3/s 時(shí)，垂線平均系數(shù)0.89。

3）流量為2 500 m3/s 時(shí)，垂線平均系數(shù)0.88。

依據(jù)以上計(jì)算的水面流速系數(shù)很相近，與河道經(jīng)驗(yàn)值相符，可以取其平均值作為水面系數(shù)計(jì)算成果：（0.87+0.88+0.89）/3=0.88。

表1 垂線平均流速與水面流速關(guān)系表

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析ADCP 測(cè)得的數(shù)據(jù)，得出計(jì)算的水面系數(shù)結(jié)果與河道經(jīng)驗(yàn)值相符，結(jié)果可以應(yīng)用。可見(jiàn)根據(jù)ADCP 垂線測(cè)點(diǎn)流速的相關(guān)性，推求垂線各測(cè)點(diǎn)流速的關(guān)系，這種方法是可行的，不僅節(jié)省人力、物力和時(shí)間，而且給以后水文測(cè)驗(yàn)工作探索又添了一種新途徑。