走航式多普勒流速剖面儀在水文測驗中的應用

王若晗 李繼清

(華北電力大學, 北京 102206)

走航式多普勒流速剖面儀在水文測驗中的應用

王若晗 李繼清

(華北電力大學, 北京 102206)

多普勒流速剖面儀(Doppler Current Profiler)是世界先進和快速有效的測流儀器。本文通過分析聲學多普勒流速剖面儀的測流原理，與傳統(tǒng)測流方法對比聲學多普勒流速剖面儀。通過大創(chuàng)項目，結合山東濱海地區(qū)河流的實際測流，主要探討了聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)的突出優(yōu)點。ADCP的合理使用可以為未來河道開發(fā)治理、水資源管理和防洪減災提供科學依據(jù)。

聲學多普勒流速剖面儀； 新儀器； 比測試驗

1 引 言

水是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質資源之一。水量的獲取途徑主要通過流量的觀測，因此,快速、準確地開展河流流量測驗,是我國水資源管理以及防汛抗旱等水文工作的前提。流量測驗是水文水資源行業(yè)的重要工作任務之一，傳統(tǒng)測流方法主要有流速儀面積法、浮標法、比降面積法、水力學方法等，測驗手段有船測、橋測、纜道、涉水等方式，這些方法普遍落后、信息化水平低，不能很好地適應新時期水文測報快速、準確、精度高、任務多的要求。聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱ADCP)測流儀器的引進較好地解決了這一問題。ADCP具有精度高、速度快、信息化水平高等突出優(yōu)勢。在發(fā)生洪水，尤其是大洪水時，河道漂浮物較多，傳統(tǒng)測流方法不適應，而ADCP可以快速準確測量水的流速和流量，更好地為各級政府部門作出防汛決策提供準確可靠的科技支撐。本文通過分析ADCP的測流原理，與傳統(tǒng)測流方法對比，結合山東濱海地區(qū)河流的實際測流，分析探討了ADCP的突出優(yōu)點和應用前景。

圖1 ADCP實測區(qū)、非實測區(qū)、微斷面、單元示意

2 ADCP測流原理

ADCP是現(xiàn)今世界先進測流儀器的典型，當使用ADCP沿任一航跡穿過河流某一斷面時，能在短時間內(nèi)迅速測量出該斷面流量和某點流速，通過與電腦的連接，利用WinRiver軟件迅速地將圖生成并顯示。該儀器性能穩(wěn)定，高效快速，遠勝傳統(tǒng)機械式的測流儀器。自20世紀90年代初引進我國,至今已在我國的河流、湖泊、海洋等的水體流量測驗中廣泛應用,特別是在潮汐河段的水文測驗中應用較多。

ADCP通過向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，利用水中顆粒的回波頻率來測量流速，在碰到水中的顆粒物時，發(fā)射的聲波脈沖會發(fā)生背散射，ADCP接受到回波信號并處理得到流速。ADCP首先測量的是沿聲束方向的流速分量。利用聲束角將聲束坐標下的流速分量轉換成 ADCP坐標下的流速分量，繼而通過羅盤提供的方向、傾斜計提供的縱搖和橫搖數(shù)據(jù)，將ADCP坐標下的流速分量轉換成地球坐標下的流速分量。我們使用的ADCP配備有四個換能器，與ADCP軸線成一定夾角，每個換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波。假定顆粒物的運動速度與水體流速相同。當顆粒物從遠處接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高。當顆粒物背離換能器運動時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率低，因顆粒物的運動而引起頻率的改變稱為聲學多普勒頻移。ADCP測流時實測區(qū)、非實測區(qū)、微斷面及單元布置見圖1。

ADCP計算流量基于如下公式：

(1)

式中Qt——除去岸邊非實測區(qū)后，從測驗起點至測驗終點的總流量；

Vf——測船航跡斷面某微元處流速矢量；

dz——垂向微元長度；

dt——時間微元；

Vb——測船速度矢量；

T——測船從測驗起點至終點的航行時間；

d——水的深度；

k——垂向坐標單位矢量。

3 ADCP與傳統(tǒng)測流儀器應用對比實例

3.1 應用實例

濱州市位于黃河三角洲腹地，是山東省的北大門，面積9600km2，人口380萬，是黃河三角洲區(qū)域內(nèi)最大的行政區(qū)，全市河流按流域劃分，除黃河及灘地歸黃河流域外，以黃河為界，南部為淮河流域，北部為海河流域。淮河流域主要有小清河、北支新河、孝婦河、杏花河、預備河、支脈河6條河流。海河流域內(nèi)主要有德惠新河、徒駭河、潮河等河流。

a.德惠新河位于徒駭河、馬頰河之間，由于該河流經(jīng)德州、濱州兩地區(qū)，所以稱為德惠新河。該河河道總長77.6km，流域面積135.4km2。

b.徒駭河源于豫魯交界處的聊城市莘縣文明寨村東，自惠民縣淄角鎮(zhèn)靠河郡村入濱州市境內(nèi)，在沾化區(qū)濱海鄉(xiāng)西山后村北與秦口河匯流，經(jīng)套兒河至暴風站北入渤海，全長436km，流域面積13638km2，其中濱州市境內(nèi)河段長度150.1km，流域面積4677.6km2。該河是黃河以北的一條主要防洪排澇河道。

c.潮河是黃河與徒駭河之間人工開挖的一條獨流入海的排水河道，全長75.46km，其中濱州市境內(nèi)流域面積1241.3 km2。主要支流有西沙河、新立河、秦臺干溝、朝陽河等。本次選取徒駭河堡集閘、德惠新河白鶴觀閘、潮河賈家水文站斷面進行了流量對比測驗。

3.2 ADCP測流

ADCP需要結合WinRiver及BBTalk軟件一起使用，WinRiver軟件是ADCP數(shù)據(jù)處理的重要軟件，使用界面截圖見圖2。 BBTalk是一種超級終端軟件，可以利用直接指令來操作ADCP，主要用于設定和檢測ADCP。一般要求在每次測量前(下水前)都要運行BBTalk軟件來對ADCP進行檢測，從而保證設備的正常可靠運行。

圖2 WinRiver軟件使用界面截圖

3.3 ADCP與傳統(tǒng)測流儀器對比

ADCP與傳統(tǒng)流速儀測驗對比統(tǒng)計見下頁表。

實際測流時分兩組進行，一組使用ADCP進行測流，另一組使用機械式測速儀。測流進行過程中，發(fā)現(xiàn)使用機械式測速儀的一組對于同一個斷面、不同的測流方向也會得到不同的數(shù)據(jù)，表明機械式測速儀所測得的數(shù)據(jù)有極大的不穩(wěn)定性。相比之下，ADCP可以通過其多普勒原理，利用發(fā)射聲波的方式，使其獲得的數(shù)據(jù)在任何方向都有著一致性。ADCP不受其航線的影響，不光可以高效輕松地測量整個斷面的流速，也可以同時瞬間將斷面的流量測出，并直接繪出斷面流速航跡合成圖。而使用機械式測速儀，要在不同的測量位置投放多次，浪費大量的人力。通過數(shù)據(jù)對比分析，ADCP實測流量自測重復偏差最大只有2.9%， ADCP實測流量多次(2～4次)均值與傳統(tǒng)流速儀施測流量相差在±5%以內(nèi)， ADCP實測流量比傳統(tǒng)流速儀法節(jié)時約60%～75%，這說明ADCP性能可靠，精度較高，節(jié)約時間，在水草嚴重的江段使用仍然能夠快速地進行流量測驗，精度高于水文測驗規(guī)范要求。一臺ADCP相當于多個測速儀，因此在水文測驗中使用ADCP可以達到高效節(jié)省人力的效果，使水文測驗事半功倍。

ADCP與傳統(tǒng)測流儀流量測驗對比統(tǒng)計表

當然，應在中水和含沙量小的河流中使用ADCP，投放時避免與水草纏繞。在堰閘等水工建筑物下游測流時，測流斷面應避開波浪及回水較大的區(qū)域，以免產(chǎn)生測流盲區(qū)。

4 結 語

通過ADCP與傳統(tǒng)機械式方法的測流的一系列對比，發(fā)現(xiàn)ADCP滿足精度要求，具有測量快速、不干擾水體、極少受天氣影響等優(yōu)點,是一種快速有效的測流裝置，在水文測驗中，特別是洪水測驗中可大力推廣使用，為未來河道開發(fā)治理、水資源管理和防洪減災提供科學依據(jù)。

[1] 中華人民共和國水利部.GB 50179—2015 河流流量測驗規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2] 李志敏.ADCP流量測驗應用研究[J].廣西水利水電,2003(3):7-10.

[3] 謝波,田岳明,葉建紅.ADCP河流流量測驗及其誤差分析[J].水資源研究，2007(4)：35-36.

[4] 饒西平.ADCP測流與傳統(tǒng)測流的對比及應用[J].科技咨詢，2012(6):96.

[5] 劉濤.水環(huán)境演變規(guī)律分析及治理對策研究[D].南京：河海大學，2006.

Application of underway Doppler Current Profiler in hydrometry

WANG Ruohan, LI Jiqing

(NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Doppler Current Profiler is a world-advanced, quick and effective current measurement instrument. In the paper, the acoustic Doppler current profiler is compared with traditional current measurement methods through analyzing current measurement principles of acoustic Doppler current profiler. Combined with actual current measurement of rivers in Shandong coastal area through Dachuang projects, prominent advantages of Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) are discussed mainly. Rational application of ADP can provide scientific basis for river development governance, water resources management, flood control and disaster alleviation in the future.

ADCP; new instrument; comparative test

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.04.017

TV123

A

2096-0131(2017)04- 0051- 04