基于聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)流的斷面流速分布研究

黃 煒，唐運(yùn)憶，趙德友，丁昌言，李國(guó)棟

（1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029；2. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000；3. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城 224051）

基于聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)流的斷面流速分布研究

黃 煒1，唐運(yùn)憶1，趙德友1，丁昌言2，李國(guó)棟3

（1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029；2. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000；3. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城 224051）

選擇涇河、射陽(yáng)河閘 2 個(gè)水文站的走航式聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)流斷面上的垂向、水平層流速分布及垂向平均流速的橫向分布研究。研究結(jié)果表明：對(duì)于順直河段，垂線點(diǎn)流速分布基本符合理論流速分布；對(duì)于受感潮影響的測(cè)流斷面，相對(duì)流速脈動(dòng)和均化影響較大，難以找到流速分布規(guī)律。通過基于斷面流速分布特點(diǎn)的斷面有效測(cè)速單元確定，可以為測(cè)速垂線和垂線上測(cè)速點(diǎn)的布設(shè)、固定式聲學(xué)多普勒流速儀安裝位置選擇等提供技術(shù)支撐。

聲學(xué)多普勒流速儀；測(cè)流斷面；垂向流速分布；水平層流速分布；垂向平均流速橫向分布；有效測(cè)速單元

0 引言

斷面上的流速分布是指流速在斷面上沿水深和橫斷面方向的變化規(guī)律[1]，研究測(cè)流斷面上的流速分布對(duì)分析河床演變和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及開展水文測(cè)驗(yàn)等具有重要意義。傳統(tǒng)的流速垂線分布測(cè)量方法采用單點(diǎn)式流速儀逐一對(duì)各條流速垂線上不同深度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量。但這種垂線逐點(diǎn)測(cè)量方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，已不能滿足水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化的發(fā)展要求。近年來，基于聲學(xué)多普勒原理的多普勒剖面流速測(cè)試技術(shù)得到了快速發(fā)展，并已普遍應(yīng)用于流速、流量測(cè)驗(yàn)[2-5]。相比于傳統(tǒng)的固定式垂線測(cè)量，具有速度快，精度高，不擾動(dòng)流場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且聲學(xué)多普勒流速儀（ADCP）空間采樣密度高，測(cè)速單元較多，測(cè)流時(shí)可以覆蓋全部過水?dāng)嗝?，能夠提供更為精?xì)的全斷面二維流速數(shù)據(jù)，為斷面流速分布模型的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

選擇涇河、射陽(yáng)河閘 2 個(gè)水文站的走航式 ADCP測(cè)流數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)流斷面上的流速分布研究，旨在通過摸清流速分布進(jìn)而指導(dǎo)測(cè)速垂線和垂線上測(cè)速點(diǎn)的布設(shè)、固定式 ADCP 安裝位置的選擇，以及為流速、流量測(cè)驗(yàn)中的異常數(shù)據(jù)的剔除，斷面特性對(duì)流速的影響分析等提供依據(jù)。

1 ADCP 測(cè)流原理介紹

ADCP 是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)流的[6-7]。換能器以固定的頻率向水中發(fā)射聲波，當(dāng)聲波碰到水中的聲散射體（如浮游生物、懸浮粒子等）后，少量脈沖返回并被 ADCP 接收，反射回來的小數(shù)量的聲脈沖頻率發(fā)生改變，與發(fā)射聲波的頻率之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻差，即多普勒頻移，通過測(cè)量得到多普勒頻移即可得到散射粒子的速度。由于水體中散射粒子懸浮于水中，它們的速度通常與水流速度保持一致，故顆粒物的速度即為水流的流速。ADCP 可以接受經(jīng)懸浮顆粒反射后多個(gè)時(shí)段的回波信號(hào)，從而能夠?qū)Σ煌钐幍乃魉俣冗M(jìn)行測(cè)量，可同時(shí)獲得垂向不同水深處的流速值[8]。ADCP 在移動(dòng)過程中所測(cè)的垂線可以是非常多的條數(shù)，在每條“垂線”上設(shè)置不同厚度的深度單元，相應(yīng)測(cè)到幾十甚至上百個(gè)不同深度點(diǎn)的流速值。通過軟件提取各個(gè)深度單元流速，能夠提供更為精細(xì)的全斷面二維流速數(shù)據(jù)，將全斷面二維流速數(shù)據(jù)組合成流速剖面，進(jìn)而得到測(cè)驗(yàn)斷面的流速分布。通過對(duì)流速分布情況的分析，可為斷面流速分布模型的研究提供數(shù)據(jù)支撐，并指導(dǎo)固定式 ADCP 安裝和垂線等位置的選擇。

2 ADCP 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 測(cè)站選擇

江蘇省內(nèi)水系發(fā)達(dá)，航運(yùn)頻繁，且水利工程眾多，大多測(cè)驗(yàn)河段受航運(yùn)和水利工程調(diào)度影響較大。

大運(yùn)河涇河站為南水北調(diào)市際控制站，測(cè)流斷面河寬 180 m，常水位時(shí)水面寬約 140 m。測(cè)流斷面的上、下游數(shù)千米范圍內(nèi)，河道基本順直。測(cè)流斷面處的河道，為人工開挖的規(guī)則梯形斷面，河床土質(zhì)以細(xì)顆粒粘土為主，兩岸為塊石護(hù)坡，斷面沖淤年度變化率不明顯，河勢(shì)比較穩(wěn)定。該河道為北煤南運(yùn)的重要通道，航道等級(jí)為二級(jí)，年通航能力約5 億 t，給該站水文測(cè)驗(yàn)工作帶來了一定影響。射陽(yáng)河閘為江蘇省沿海最大的擋潮閘壩，該閘有 35 孔，每孔凈寬 10 m，閘底板高程 -3.50 m，閘身全長(zhǎng)410.1 m，是集擋潮、御鹵、蓄淡、抗旱、排洪于一體的綜合型閘壩。測(cè)站測(cè)驗(yàn)河段順直，水面寬約270 m，高水時(shí)無岔流、串溝，河床及河岸均為砂土，閘上游河段沖淤變化甚微，主流一般穩(wěn)定，但受閘門開啟位置不同而略有擺動(dòng)。

為此，選擇涇河、射陽(yáng)河閘 2 個(gè)水文站的走航式 ADCP 測(cè)流數(shù)據(jù)，做為江蘇省內(nèi)典型測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行測(cè)流斷面上的流速分布研究。

根據(jù)不同測(cè)驗(yàn)環(huán)境共選擇 4 份測(cè)驗(yàn)樣本，各樣本基本情況如表 1 所示。

表 1 測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況一覽表

2.2 數(shù)據(jù)處理

在 ADCP 測(cè)流中，每完成 1 次采樣，即 ADCP每完成 1 次信號(hào)發(fā)射、接受和處理，則視為 1 個(gè)呯，多個(gè)呯采樣的平均值即為呯集合。根據(jù)各測(cè)次呯集合對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)距數(shù)據(jù)，涇河站各測(cè)次呯集合均化為 1 00 根垂線，射陽(yáng)河閘站各測(cè)次呯集合均化為1 000 根垂線，便于進(jìn)行樣本內(nèi)各測(cè)次數(shù)據(jù)的疊加分析。應(yīng)用 WinriverⅡ 軟件回放每半測(cè)回測(cè)量數(shù)據(jù)，輸出 ASCⅡ 數(shù)據(jù)文件，提取測(cè)流斷面上的二維流速、流向數(shù)據(jù)，以及每個(gè)呯集合對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)距數(shù)據(jù)。

走航式 ADCP 單次獲取的垂線流速為瞬時(shí)的紊動(dòng)流速，為了求取平均流速分布，需要將走航式ADCP 各次重復(fù)測(cè)量獲得的多組瞬時(shí)流速作為平均流速，然而，垂線組數(shù)的選取對(duì)平均流速的值會(huì)產(chǎn)生影響。以涇河為例，以某一測(cè)點(diǎn)、某一層數(shù)據(jù)提取垂線流速，對(duì)采用不同垂線組數(shù)建立平均流速與垂線組數(shù) N 的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)用于計(jì)算平均流速的垂線組數(shù) ＞ 70 組（約 70%）時(shí)，平均后得到的流速值已趨于穩(wěn)定。因此，在對(duì)各測(cè)點(diǎn)的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，選取的瞬時(shí)垂線組數(shù)均不小于全部砰集合的 70%。

由于 ADCP 可同時(shí)獲取不同水深處的瞬時(shí)流速值 vi,j，因此，時(shí)均流速垂向分布可通過對(duì)各水深處瞬時(shí)流速的時(shí)間序列進(jìn)行算術(shù)平均得到。不同水深處的時(shí)均流速值與標(biāo)準(zhǔn)差 σi可由下式得到：

式中：vi,j為第 i 層水流瞬時(shí)流速，i 表示第 i 層，j 表示第 j 根垂線；n 表示層流速單元個(gè)數(shù)；m 表示測(cè)點(diǎn)分層數(shù)量。

通過整理各樣本的流速測(cè)量成果，發(fā)現(xiàn)各垂線上測(cè)點(diǎn)流速與其位置均有密切、一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]。為考察各測(cè)點(diǎn)平均流速測(cè)量結(jié)果的可靠性及合理性，利用對(duì)測(cè)點(diǎn)不同水深處流速標(biāo)準(zhǔn)差 σi進(jìn)行無量綱化，將測(cè)點(diǎn)所有水深處的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行平均得到平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下：

3 斷面流速分布研究

3.1 垂向流速分布

在 ADCP 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本中，選擇受外界影響較小的某個(gè)測(cè)次（即樣本 1 中第 8 測(cè)次，樣本 2 中第 48 測(cè)次，樣本 3 中第 16 測(cè)次，樣本 4 中第 29 測(cè)次），任意提取河道中泓 3 根垂線的測(cè)速單元流速數(shù)據(jù)，給出中泓垂線點(diǎn)流速分布圖，如圖 1 所示。

圖 1 單次測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)中泓垂線點(diǎn)流速分布圖

理論上垂線上的流速分布可以擬合為拋物線、對(duì)數(shù)、橢圓、指數(shù)型等，由圖 1 可以看出，單個(gè)測(cè)次中中泓垂線點(diǎn)流速分布基本符合理論流速分布，但是分布較為紊亂，流速脈動(dòng)較大。

因此，為了避免單次測(cè)驗(yàn)成果中任意垂線的數(shù)據(jù)偶然性，將各樣本中多次測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，取不同測(cè)次同一位置點(diǎn)流速的平均值，得到綜合分析結(jié)果，如圖 2 所示。

圖 2 全體樣本測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)中泓垂線點(diǎn)流速分布圖

通過圖 1 和 2 可知：

1）單次測(cè)驗(yàn)成果同一垂線上不同水深的單元流速脈動(dòng)較大，多次平均后可減弱脈動(dòng)影響；

2）全體樣本測(cè)驗(yàn)垂線上的流速分布，樣本 1，2，3 總體上符合拋物線形，流速隨水深增大而減小；

3）樣本 1 單元尺寸為 0.5 m，規(guī)律較為明顯，樣本 2 和 3 單元尺寸較小（0.2 m），受流速脈動(dòng)影響較大，規(guī)律相較于樣本 1 不明顯；

4）各樣本流速分布在接近河底處易產(chǎn)生奇異值，因此在選擇有效測(cè)速單元時(shí)應(yīng)考慮避開河底部分；

5）樣本 4 測(cè)流時(shí)流速較小，并受感潮影響，相對(duì)流速脈動(dòng)和均化影響較大，因此難以找到流速分布規(guī)律。

3.2 水平層流速分布

取同一深度的單元流速計(jì)算平均值，可得到每一水平層的平均流速，層的深度取決于單元尺寸和號(hào)數(shù)。

涇河站測(cè)流斷面選取部分垂線（20～50 號(hào)垂線）的每層平均流速與全部斷面水平層平均流速進(jìn)行對(duì)比分析，射陽(yáng)河閘站測(cè)流斷面取各水平層的最大流速與全部斷面水平層平均流速作對(duì)比分析。水平層和部分垂線的平均流速或水平層最大流速的分布規(guī)律如圖 3 所示。由圖 3 可知：

1）斷面水平層的平均和最大流速的垂向分布與圖 2 中垂線上測(cè)點(diǎn)流速的垂向分布具有相似性；

2）樣本 1，2，3 的全斷面水平層平均流速和 20～50 號(hào)部分垂線水平層平均流速形狀基本契合，總體分布上符合拋物線形，且流速隨水深增大而減?。?/p>

3）樣本 4 測(cè)時(shí)流速較小，樣本 2 和 3 單元尺寸較小，受流速脈動(dòng)影響較大，全部垂線水平層平均流速規(guī)律不明顯；

圖 3 斷面水平層流速垂向分布圖

4）樣本 4 各水平層最大流速與平均流速差異較大，說明測(cè)流時(shí)受外界影響較大，異常數(shù)據(jù)較多。

3.3 垂線平均流速的橫向分布

根據(jù)每條垂線上的單元流速數(shù)據(jù)計(jì)算垂線平均和最大流速并進(jìn)行分析，得到垂線平均和最大流速的橫向分布規(guī)律，如圖 4 所示。

由圖 4 可知：

1）橫斷面上的流速分布與斷面形狀有關(guān)，樣本數(shù)據(jù)基本符合理論的流速分布規(guī)律，近兩岸邊的流速小于中泓流速；

2）樣本 1，2，3 為同一測(cè)流斷面，但不同水位和流速大小造成橫斷面流速分布不同，但仍能從圖中看出，起點(diǎn)距 20～80 號(hào)之間垂線平均流速較為穩(wěn)定；

圖 4 垂線流速橫向分布圖

3）樣本 2 和 3 各垂線最大流速與平均流速差異較大，說明測(cè)流時(shí)受外界影響較大，異常數(shù)據(jù)較多，與水平層平均流速表現(xiàn)一致。

3.4 有效測(cè)速單元選擇

固定式 ADCP 比測(cè)率定精度與安裝位置有很大關(guān)系。將斷面流速分布中最能代表斷面平均流速或與斷面平均流速標(biāo)準(zhǔn)差最小的測(cè)速單元定義為有效測(cè)速單元。選擇在有效測(cè)速單元附近安裝設(shè)備（橫向式 ADCP）和設(shè)置垂線（垂向式 ADCP），對(duì)更有效地率定關(guān)系有很大幫助。由于射陽(yáng)河閘站受感潮影響，相對(duì)流速脈動(dòng)和均化影響較大，水平層最大流速與平均流速差異較大，流速分布規(guī)律不明顯，有效測(cè)速單元難以確定，為此取涇河站多個(gè)走航式ADCP 測(cè)流數(shù)據(jù)，做均化處理后，分析二維斷面流速分布圖，確定有效測(cè)速單元。

由分析可知，涇河站垂線點(diǎn)流速分布基本符合理論流速分布，水平層平均流速和部分垂線的水平層平均流速基本形狀契合，總體分布上符合拋物線形，但在接近河底處流速易產(chǎn)生奇異值，因此在選擇有效測(cè)速單元時(shí)需避開河底部分。因此，可以認(rèn)為涇河站測(cè)流斷面中垂向上 0.20～0.60 相對(duì)水深處，橫向上 20～40 號(hào)垂線處為測(cè)流的有效測(cè)速單元。

采用有效測(cè)速單元流速均值作代表流速，并對(duì)測(cè)得的比測(cè)率定測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行分析，得到?jīng)芎诱局笜?biāo)流速 vi和斷面平均流速 vp關(guān)系，即 vp= 0.916 vi，相關(guān)系數(shù) R2= 0.998 9。對(duì)測(cè)點(diǎn)率定關(guān)系曲線進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均小于檢驗(yàn)臨界值，符合資料整編規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

選擇涇河站、射陽(yáng)河閘 2 個(gè)水文站的走航式ADCP 測(cè)流數(shù)據(jù)，建立了江蘇省內(nèi)典型測(cè)流斷面上的垂線、水平層流速分布及垂線流速的橫向分布模型，分析了測(cè)流斷面上的有效測(cè)速單元分布情況。研究結(jié)果表明，當(dāng)河段較為順直穩(wěn)定時(shí)，垂線點(diǎn)流速分布基本符合理論流速分布；對(duì)于受感潮影響的測(cè)流斷面，相對(duì)流速脈動(dòng)和均化影響較大，難以找到流速分布規(guī)律。通過建立有效測(cè)速單元，并在儀器設(shè)備安裝時(shí)選擇避開流速分布規(guī)律不強(qiáng)或易產(chǎn)生奇異值的區(qū)域，可以更有效地建立斷面平均流速與指標(biāo)流速之間的率定關(guān)系。由于在固定式 ADCP 安裝和運(yùn)行過程中，受船行或閘門啟閉影響的情況較多，因此在下一步工作中，應(yīng)對(duì)受船行波或水利工程控制影響的測(cè)流斷面的流速分布情況進(jìn)行分析，建立不同測(cè)驗(yàn)環(huán)境下的流速分布模型，以期為固定式 ADCP 的安裝位置選擇、成功應(yīng)用及比測(cè)率定提供更全面的幫助。

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Research on velocity distribution of fl ow measurement based on acoustics doppler current pro fi le measurement method

HUANG Wei1, TANG Yunyi1, ZHAO Deyou1, DING Changyan2, LI Guodong3
(1. Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Nanjing 210029, China; 2. Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau Yangzhou Branch, Yangzhou 225000, China; 3. Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau Yangzhou Branch, Yancheng 224051, China)

The research of vertical velocity distribution, horizontal velocity distribution, and transverse distribution of vertical mean velocity, is based on the shipboard-type ADCP discharge measurement data which are measured on Jinghe and Shenyang two hydrological stations. The results show that the vertical velocity distribution satisfies the theoretical velocity distribution on the straight section. It is dif fi cult to fi nd the velocity distribution law for the in fl uence of tidal fl ow on the cross section, which has a great in fl uence on relative velocity fl uctuation and homogenization. The effective velocity measurement unit of the cross section is determined by the velocity distribution characteristics of the cross section, which can provide technical support for the layout of velocity measurement points on the vertical and the installation location of fi xed acoustic Doppler velocity meter.

acoustics doppler current pro fi le; measuring cross-section; vertical velocity distribution; horizontal velocity distribution; transverse distribution of vertical mean velocity; effective velocity measuring unit

P335

A

1674-9405(2017)04-0061-07

10.19364/j.1674-9405.2017.04.012

2017-04-10

黃 煒（1981-），男，湖南永州人，工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)、水信息技術(shù)及水環(huán)境等研究。