走航式多普勒流速儀在上虞東山站的應(yīng)用

俞國強(qiáng)

【摘 要】多普勒流速儀（ADCP）利用聲學(xué)多普勒原理測量水流剖而的流速，是一種新型高精度流體測流儀器。文章以上虞東山站為例，詳細(xì)地闡述了ADCP的原理及流量計(jì)算方法，并對比比較了ADCP與傳統(tǒng)流速儀的作業(yè)方法與測量結(jié)果。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(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】多普勒流速儀；流量測量；對比測試

【中圖分類號】TV122

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【Abstract】ADCP using the acoustic Doppler principle to measure the velocity of flow profile， it is a new type of high precision flow measuring instrument. In this paper， the principle and flow calculation method of ADCP are described in Dongshan Railway Station. The operation method and measurement results of ADCP and traditional flow meter are compared. The rational use of ADCP can provide scientific basis for future river management， water resources management and flood control and disaster mitigation.

【Key words】Acoustic Doppler Current Profiler；Flow Measurement；Comparative Test

1. 背景概況

（1）上虞東山站位于曹娥江干流的浙江省紹興市上虞區(qū)上浦鎮(zhèn)上浦村覆船山段，該段測驗(yàn)河段順直，左岸為巖石山，右岸為標(biāo)準(zhǔn)堤，控制流域面積為4459平方公里，斷面跨度325米，河寬302米。上虞東山站于2010年9月竣工并投入使用，現(xiàn)有測驗(yàn)項(xiàng)目：雨量、流量、水位、含沙量、水溫、水質(zhì)、水面蒸發(fā)等'主要負(fù)責(zé)收集、分析、整編所轄區(qū)內(nèi)的水文資料、代辦站管理與遙測儀器維護(hù)，據(jù)此向各級政府、防汛部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的水情情報(bào)預(yù)報(bào)信息。

（2）河流流量觀測是水文工作的重要內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的方法是流速面積法，使用的儀器是轉(zhuǎn)子式流速儀。這種方法原理簡單、實(shí)用性強(qiáng)，但是施測時(shí)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，結(jié)果計(jì)算繁瑣，效率低，且計(jì)算過程容易出錯(cuò)。ADCP是近十幾年發(fā)展和應(yīng)用的新的流量觀測方法，比傳統(tǒng)的流速儀法效率提高幾十倍，也無需繁瑣的計(jì)算，測流結(jié)束即可直接得到河流流量，是河流流量測量的一次革命。

2. 工作原理及流量計(jì)算

2.1 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(shí)，發(fā)射的聲波脈沖會(huì)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(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成ADCP坐標(biāo)下的流速分量，繼而通過羅盤提供的方向、傾斜計(jì)提供的縱搖和橫搖數(shù)據(jù)，將AD-CP坐標(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)下的流速分量。我們使用的ADCP配備有四個(gè)換能器，與ADCP軸線成一定夾角，每個(gè)換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波。假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度與水體流速相同。當(dāng)顆粒物從遠(yuǎn)處接近換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高。當(dāng)顆粒物背離換能器運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)而引起頻率的改變稱為聲學(xué)多普勒頻移。

2.2 ADCP流量計(jì)算基于如下公式：

3. ADCP與傳統(tǒng)流速儀比測分析

本文以上虞東山站某測量斷面為期12個(gè)月的實(shí)測流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，該測量斷面處江道順直勻整、江床穩(wěn)定，江寬約240m，水流集中無分流、岔流、斜流、回流、死水等現(xiàn)象。觀測方法采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀法和走航式ADCP全斷面流量觀測2種方法同步開展，其中ADCP采用SonTek公司生產(chǎn)的M9聲學(xué)多普勒水流剖面儀。

3.1 作業(yè)方法比較。

從理論上講，ADCP流量測量原理與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法相同，是將測流斷面分成若干個(gè)子斷面，在每個(gè)子斷面內(nèi)測量垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速并測量水深，從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量，再將各子斷面的流量疊加得到整個(gè)斷面的流量。但是它們之間存在著很大的差別：

（1）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法是靜態(tài)的，ADCP是動(dòng)態(tài)的，可在隨測船運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)子式流速儀法要求測流斷面垂直于河岸，ADCP法在走航測量中，測船的航跡可以是斜線或曲線，極大地方便了施測作業(yè)。

（2）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法采樣費(fèi)時(shí)，通常不會(huì)將子斷面劃分得很細(xì)，垂線流速的測量點(diǎn)不多。因斷面江寬只有約240m，故測流垂線只布設(shè)了4條。而ADCP由于采樣速率很高，只需5-8min即可在此斷面完成1次流量觀測，將子斷面劃分得很細(xì)（可稱為微斷面），垂線流速測量點(diǎn)較多，相當(dāng)于多臺流速儀同時(shí)測量。

（3）傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀受儀器本身的測速范圍（0.05-4.50m/s）影響，當(dāng)流速過快或過慢時(shí)，影響其測量精度，尤其是慢流速時(shí)，流速儀還會(huì)受到水文絞車?yán)K索的影響，而ADCP的測速范圍為0.01-10.00m/s，范圍較寬，且在流速較慢、水深較淺時(shí)還可使用淺水模式施測，更好地提高了測流精度。

3.2 測量結(jié)果對比。

傳統(tǒng)流速儀與ADCP同步測量，收集48個(gè)平均斷面流量比測樣本，對纜道實(shí)測的平均斷面流量與ADCP實(shí)測的平均斷面流量進(jìn)行比較，比較結(jié)果表示檢測結(jié)果均通過，詳情見表1。

4. ADCP使用經(jīng)驗(yàn)

4.1 水流含沙量高。

由于走航式ADCP是聲學(xué)設(shè)備，因此水流中的含沙量對于走航式ADCP的使用影響很大。當(dāng)水流中的含沙量很高時(shí)，就不適合使用高頻率的走航式ADCP，在這種情況下，使用低頻率的ADCP比較合適。但是即使使用了低頻率的ADCP，測量時(shí)仍然有限制，即測量的河流深度不能過淺。如果河流深度較淺，則可以使用窄帶ADCP。如果河流的含沙量高，同時(shí)深度又過淺，導(dǎo)致無法使用ADCP，可以使用差分GPS和測深儀分別測量船速和水深。

4.2 河底存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。

河底的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)是影響走航式ADCP測量的另一因素。主要影響的是測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。因?yàn)樾纬赏埔瀑|(zhì)的河段，都是水速過快，河流底部的泥沙隨水遷移而形成的。為了減少河底推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，可以使用GPS測量船速。

4.3 深度單元尺寸影響測量精度。

由于流速測量時(shí)，深度單元尺寸會(huì)對垂向分辨率、測量范圍、測量精度、剖面深度等參數(shù)均造成影響，因此要根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇不同的深度單元尺寸。一般來說，單元尺寸越小，流速測量精度就越低。如果水深較大，就采用較大的深度單元尺寸，如果水深較小，就采用較小的單元尺寸。

5. 結(jié)語

ADCP技術(shù)相較傳統(tǒng)流速儀觀測有巨大優(yōu)勢，滿足現(xiàn)階段的高精度，高效率的要求，在多條斷面同步觀測方面表現(xiàn)尤為明顯，近年來在水文觀測中得到了越來越多的應(yīng)用，節(jié)約人力、物力、財(cái)力、取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[文章編號]1619-2737（2018）04-08-708