Channel Master型H—ADCP換能器安裝精度檢測

唐成勇　朱愛文

【摘要】Channel Master型H-ADCP指標(biāo)流速法流量測驗(yàn)具有數(shù)據(jù)實(shí)時在線、信息傳輸自動化程度高等特點(diǎn)，已在我國水文測驗(yàn)、水資源調(diào)查、水環(huán)境保護(hù)等方面得到廣泛應(yīng)用。H-ADCP換能器安裝是否符合要求，直接影響測驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。本文結(jié)合Channel Master型H-ADCP測驗(yàn)特點(diǎn)，對H-ADCP換能器安裝精度進(jìn)行檢測。

【關(guān)鍵詞】H-ADCP ；換能器；安裝控制要素；檢測

H-ADCP equipment （type of Channel Master ） of the transducer installation accuracy detection——Take the installation of frequency 600kHz transducer as an example

TANG Cheng yong ZHU Ai wen

The Yangtze River Water Conservancy Committee Jingjiang River Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Yidu branch Yidu Hubei 443300

【Abstract】 Channel Master H-ADCP， this instrument uses the index flow rate method to carry out the flow test. It has the characteristics of real-time data on-line and high degree of automation of information transmission， been widely used in Hydrometric test， water resources investigation and water environment protection in our country. The installation of the instrument directly affects the accuracy of the test data. In this paper， combined with the characteristics of the instrument hydrological test method， the accuracy of the installation of the transducer to detect.

【Key word】H-ADCP ； Transducer； Install control elements； Detection

0 引言

H-ADCP測流基本原理，為利用纜道流速儀法實(shí)測流量數(shù)據(jù)和H-ADCP實(shí)測流速數(shù)據(jù)建立斷面平均流速V與指標(biāo)流速VI（即水平式ADCP實(shí)測流速）之間相關(guān)關(guān)系， 即建立率定關(guān)系線或回歸方程，與相應(yīng)水道斷面面積相乘進(jìn)而推算得到斷面流量。由于H-ADCP具有安裝直接、操作簡便、不擾動流場、在線監(jiān)測、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在我國應(yīng)用越來越廣泛，目前H-ADCP換能器安裝方法主要有支臂式、傾斜軌道式、側(cè)壁固定式、側(cè)壁軌道式等幾種方法。H-ADCP各安裝要素不到位，將造成指標(biāo)流速數(shù)據(jù)不可靠，導(dǎo)致流量測驗(yàn)準(zhǔn)確度降低。本文以H-ADCP各安裝要素為分析點(diǎn)，來檢測H-ADCP換能器安裝精度。

1、 ChannelMaster型H-ADCP型號CM600主要參數(shù)

最小單元長度：0.5m；最大剖面范圍：90m；流速量程：±5.0m/s（默認(rèn)），±20m/s（最大）；換能器直徑10.2cm；聲束角20°；聲束開角：1.5°；內(nèi)存：4兆；電源（直流）10～18伏。溫度傳感器量程：-4～40°，準(zhǔn)確度：±0.2°，分辨率0.01°。

2、 H-ADCP安裝精度控制主要檢查要素

2.1 河段控制

H-ADCP安裝位置河段宜河道順直、測到主流區(qū)域、流場穩(wěn)定。

河道順直。H-ADCP橫軸和流向宜基本垂直，通過流向測驗(yàn)，將換能器X軸與河道主流方向平行，便于安裝換能器時有效微調(diào)橫搖和縱搖的姿態(tài)角度；使采集的流速數(shù)據(jù)橫向方向流速分量Vy趨近于零、縱向方向流速分量Vx更集中。見圖1。

測到主流區(qū)域。頻率600kHz H-ADCP最大剖面范圍為90m，為了便于挑選最佳指標(biāo)流速，換能器測速剖面范圍須將斷面主流區(qū)域、深泓包括在90m測驗(yàn)剖面范圍以內(nèi)，換能器安裝位置測到的相對水層多點(diǎn)流速應(yīng)能反映河段平均流速，才能建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速的關(guān)系。

流場穩(wěn)定。安裝位置測驗(yàn)范圍內(nèi)河床不宜有倒坡；須避開回水、死水；流向集中；少漂浮物、碰撞物。

2.2 換能器聲束測量范圍內(nèi)斷面河床控制

H-ADCP換能器聲束1和聲束2通過頻移原理測得相對水層流速，再改算為斷面相對水層流速（見圖2）。換能器安裝位置以下河床斷面要相對穩(wěn)定、對稱或相似，流速測驗(yàn)精度才高。

H-ADCP兩個聲束（聲束1和聲束2）測驗(yàn)時會產(chǎn)生兩條回波強(qiáng)度，通過兩條回波強(qiáng)度繪圖可以檢驗(yàn)換能器安裝位置以下河床斷面情況。

圖3顯示H-ADCP換能器以下測驗(yàn)范圍內(nèi)河床斷面相似，聲束1和聲束2回波強(qiáng)度顯示測量范圍內(nèi)主瓣區(qū)完整，測得的數(shù)據(jù)改算成斷面相對水層流速數(shù)據(jù)可靠。圖4中，聲束1和聲束2兩條回波強(qiáng)度線交叉，沿Y軸若呈現(xiàn)固定尖峰脈沖，顯示H-ADCP換能器以下測驗(yàn)范圍內(nèi)河床不相似或者聲束2至河心測量距離30～90m處有凸起河床或其它障礙物，凸起河床或障礙物直接影響主瓣區(qū)的測速精度。

2.2.1 換能器安裝位置最小水深和有效河床寬度控制

H-ADCP兩個聲束開角均為1.5°，聲波發(fā)射量程長度每增加10m，聲波主瓣區(qū)高度增加約為0.26m。按頻率600kHz H-ADCP最大剖面90m寬度全量程計算，要全量程測到完整主瓣區(qū)流速層，聲波主瓣區(qū)最遠(yuǎn)端高度約為2.34m。

H-ADCP換能器一般安裝在歷年平均水深60%處位置。為了保證兩個聲波主瓣區(qū)在最大剖面90m寬度全量程以內(nèi)不受損傷，主瓣區(qū)量程范圍不得觸到河床底部，即H-ADCP換能器岸邊安裝點(diǎn)水平高程必須高于河床最高點(diǎn)1.17m。

陡漲陡落河流要求H-ADCP換能器安裝在最低水位附近的，以H-ADCP換能器聲束波能測到主流區(qū)域代表河段平均流速為前提，再根據(jù)剖面寬度及主流區(qū)域河床高程計算確定H-ADCP換能器岸邊安裝點(diǎn)位置。

2.2.2 換能器安裝位置有效河床寬度控制

H-ADCP聲束1和聲束2的聲束角度均為20°，按最大測驗(yàn)剖面長度90m量程計算，要獲得最大測驗(yàn)剖面長度90m量程有效測速數(shù)據(jù)，聲束1和聲束2的測驗(yàn)上、下游河床寬度為64.1m。

在有效河床寬度和換能器安裝位置滿足最小水深前提下，須保證該河床范圍流場穩(wěn)定、能測到代表斷面平均流速的主流區(qū)域等要素。

2.3 縱搖和橫搖角度控制

H-ADCP換能器縱搖和橫搖安裝角度直接影響測速精度。

X軸和水流方向平行，X軸附近測的是縱搖，角度應(yīng)為零度。Y軸和水流方向垂直，Y軸附近測的是橫搖，角度必須為零。

如果H-ADCP換能器安裝位置特殊，出現(xiàn)下列情況，縱、搖角度可以放寬到±0.1°以內(nèi)。

H-ADCP換能器受聲束開角限制，主瓣區(qū)達(dá)不到有效測驗(yàn)量程就觸及河面，宜將縱搖角度控制在0～-0.1°以內(nèi)（水平向下傾斜），且主瓣區(qū)在有效測驗(yàn)量程內(nèi)不能觸及河床。

H-ADCP換能器受聲束開角限制，主瓣區(qū)達(dá)不到有效測驗(yàn)量程就觸及河床或障礙物，宜將縱搖角度控制在0～0.1°以內(nèi)（水平向上傾斜），且主瓣區(qū)在有效測驗(yàn)量程內(nèi)不能觸及河面。

H-ADCP換能器橫搖角度只要不為零度，正、負(fù)橫搖角度均造成聲束1和聲束2改變測量水層位置，聲束1和聲束2不在同一水層上，實(shí)測的水層斷面指標(biāo)流速不等于聲束在水平狀態(tài)下測得的指標(biāo)流速，直接造成斷面流量失真。

3、 H-ADCP安裝精度控制其它檢查要素

3.1 H-ADCP內(nèi)置水位計測量水位檢查

H-ADCP換能器中內(nèi)置了超聲波水位計和壓力式水位計。兩部水位計均同步測量水位（垂直波束至水面水體距離）。當(dāng)兩部內(nèi)置水位計均正常工作時， WinH-ADCP軟件窗口顯示的是超聲波水位；當(dāng)超聲波水位計不能正常工作時，WinH-ADCP軟件軟件窗口顯示的是壓力式水位計水位。兩部水位計顯示的水位若應(yīng)與人工校核水位不相等（允許誤差范圍內(nèi)），排除涌水、旋流、漂浮物和壓力式水位計置零等影響因素，宜檢查校正H-ADCP換能器縱、橫搖角度，換能器縱、橫搖傾斜角度直接影響水位測驗(yàn)準(zhǔn)確度。

3.2 實(shí)測相對水層各點(diǎn)流速分布矢量線與斷面垂直情況檢查

如果H-ADCP實(shí)測相對水層各點(diǎn)流速分布矢量線在橫斷面上紊亂，無法建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速關(guān)系，H-ADCP安裝位置須重新選址。如果H-ADCP實(shí)測相對水層各點(diǎn)流速分布矢量線在斷面上呈現(xiàn)系統(tǒng)不垂直，須調(diào)整H-ADCP縱、橫搖姿態(tài)角度。

3.3 H-ADCP換能器安裝位置因測量水體超深影響層流速與斷面平均流速相關(guān)性強(qiáng)度檢查

H-ADCP換能器安裝后，超過測深量程，應(yīng)及時檢查層流速與斷面平均流速的相關(guān)性，若為弱相關(guān)，應(yīng)分水位級或直接調(diào)整升高 H-ADCP換能器安裝點(diǎn)位置，以達(dá)到層流速與斷面平均流速為強(qiáng)相關(guān)為原則。

4、結(jié)束語

綜上所述，在H-ADCP換能器安裝中，任何一個要素出現(xiàn)誤差，均會降低流速測驗(yàn)準(zhǔn)確度。安裝前，須對河道河勢查勘、流場測驗(yàn)、H-ADCP聲束測驗(yàn)范圍內(nèi)斷面測量、換能器安裝點(diǎn)位置高程測算、縱橫搖姿態(tài)角調(diào)整為零度、壓力式水位計置零等每一個環(huán)節(jié)控制到位，才能保證流速測驗(yàn)精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱蔚天，孫鋒.H-ADCP在山溪性河流水文站流量測驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].《人民珠江》，2015，4：67-69.

作者簡介：

唐成勇，（1986年-），男，畢業(yè)于重慶交通大學(xué)，長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局宜都分局助理工程師。

朱愛文，（1988年-），男，畢業(yè)于江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局宜都分局助理工程師。