聲學多普勒測速在灌區(qū)渠道量水中的應用

□田玉昆

（新鄉(xiāng)市生態(tài)保護局輝縣分局）

0 概述

目前，超聲波流速儀、激光流速儀和粒子圖像測速系統(tǒng)也已應用到了灌區(qū)渠道水流速測量中。但有的測速裝置一是價格昂貴，二是要專業(yè)的人員操作等，限制了在一些灌區(qū)中推廣應用。廈門博意達科技有限公司生產(chǎn)的LSH10-1A、HXH03-1型超聲波多普勒流速儀的工作原理是聲學“多普勒效應”，在河渠流速測量中限制條件少、應用范圍廣，能精確地反映出各種水流的形態(tài)、強弱的水流流速。特別是裝置沒有傳統(tǒng)轉子測速儀中的轉動部件，充分體現(xiàn)了在河流或渠道工作時不破壞、不干擾河水流流場的優(yōu)點，具有抗干擾能力強和靈敏度高的特點。新型超聲波多普勒流速儀能準確和快速地測量河道水文和現(xiàn)代化灌區(qū)渠道水流等重要參數(shù)，為灌區(qū)水利用系數(shù)和灌區(qū)的量水工作提供了一種新的測流裝置和方法。

1 傳統(tǒng)流速儀與超聲波多普勒流速儀對比

河道和渠道水體中常常會有一些漂浮物和水生物，當使用常規(guī)的轉子測速儀測量流速時，這些水草漂浮物會纏繞住測速儀的轉動軸，使所測得的流速數(shù)據(jù)嚴重失真，甚至使轉動軸停止工作。在實際的流速測量時，理想狀態(tài)是不破壞河道或渠道中水流的自然流態(tài)，但旋槳式流速儀在測量流速時會對自然水流的流態(tài)形成干擾和破壞，對測量的流速數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。聲學多普勒原理測量流速等水文參數(shù)精度高，在河渠流速測量中限制條件少、應用范圍廣，能精確地反映出各種水流的形態(tài)、強弱的水流流速。特別是裝置沒有傳統(tǒng)轉子測速儀中的轉動部件，充分體現(xiàn)了在河流或渠道工作時不破壞、不干擾河水流的流場的優(yōu)點，而且不受渠道水中漂浮物的影響。超聲波多普勒流速儀沒有啟動流速要求、分辨率高、感應靈敏，與傳統(tǒng)流速儀比較，能更好地解決在水體中泥沙堵塞，水草、雜物纏繞等問題。

2 灌區(qū)渠道流速測量

多普勒流速儀在實際使用中，無論水流強弱都能精確地反映出水流的流速；可測瞬時流速，也可測平均流速。但在渠道測速實際應用中，除了有高精度的儀器外，還應注意如下幾個方面。

2.1 選擇合適的測流斷面

要求選擇測流的河流或渠道斷面相對穩(wěn)定，水流無紊流、回流現(xiàn)象，在水流穩(wěn)定的地方作為渠道測段，水流方向應與斷面垂直，沖淤變化小，測流的渠道斷面應避開閘、橋等影響水流的建筑物。

測流斷面應選擇在渠段平直、水流均勻，測流斷面相對穩(wěn)定，避開閘口、支渠口、彎道、揚水站或斷面變化較大等干擾水流的測段。

2.2 平均流速的測定

渠道斷面流速測量可根據(jù)需要選擇一點或多點進行測量，當需要進行渠道流速多點測量時，可通過求平均值的方法得到渠道水流的平均流速。幾種流速的測定方法見表1。

表1 幾種流速的測定方法表

2.3 流速比測

為了驗證多普勒流速儀在灌區(qū)渠道流速測量的實際效果，選擇了不同渠道斷面1 和渠道斷面2 分別進行了渠道流速測量，并與傳統(tǒng)的流速儀進行流速比測。測流渠段和測流斷面的選擇按文中所述的原則。

在進行渠道流速測量時，盡管每次測量的位置和測量時長相同，但測量的流速值也不會完全一致，原因是渠道中的水流不是穩(wěn)定的均勻流，所以在進行渠道水流流速測量時，流速的測量時間應≥30 s，同時適當增加流速的測定次數(shù)并取其平均值，該平均值與流速實測值的相對誤差滿足聲學多普勒流量測驗規(guī)范SL337-2006 的誤差要求，表2 為測流斷面處利用多普勒流速儀和傳統(tǒng)流速儀比測的部分流速數(shù)據(jù)。

流速實測值與流速平均值之間的相對誤差按式（1）計算：

表2 可以看出，測試的斷面1 和斷面2 的平均流速的相對誤差值均＜5%，在相關規(guī)范對流速測量的誤差規(guī)定范圍內(nèi)。在渠道斷面的形式上，有研究者進行了比測并得出了結論，聲學多普勒流速儀適用于寬水面的渠道測速，不適用于窄深渠道斷面的流量測量。因為在矩形渠道斷面較窄、邊緣流速較大的情況下使用聲學多普勒剖面流速儀測流會產(chǎn)生較大誤差。對于窄深渠道斷面，在相對固定流速測定位置的情況下，也可以通過流速比測結果，設定調(diào)整系數(shù)來解決，擴大聲學多普勒流速儀的使用范圍。一般來說，只要介質(zhì)不使回波信號強度弱到接收探測器的閾值之下，并且不干擾頻率，儀器的測量精度就有保證。

3 應用前景分析

聲學多普勒流速儀測流在提高了測流的精度和效率的同時，也減少了測量人員的工作強度，應用前景廣闊。多普勒流速儀在實際使用中需要操作人員少，測量時間短，數(shù)據(jù)獲取自動化程度高。聲學多普勒流速儀給大范圍、動態(tài)測量提供了條件。除了獲得水體空間三維流場數(shù)據(jù)外，還可以計算流量及懸沙濃度等資料。

隨著科學技術的發(fā)展，聲學多普勒流速測量技術在水利領域方面也在不斷地更新和完善，實現(xiàn)水管理信息化、自動化和智能化。

4 結語

河流和渠道中測量流速流量時，雖然傳統(tǒng)的測流裝置和方法也可滿足使用，但水體中漂浮物會對傳統(tǒng)的轉子流速儀的測量結果產(chǎn)生較大影響，不能實現(xiàn)實時監(jiān)測，費工費時，效率低。LSH10-1A、HXH03-1型超聲波多普勒流速儀在河渠流速測量中限制條件少、應用范圍廣，在河流或渠道工作時不破壞、不干擾河水流的流場，能精確地反映出各種水流的形態(tài)、強弱的水流流速，快速地測量河道水文和和現(xiàn)代化灌區(qū)渠道水流等重要參數(shù)，抗干擾能力強和靈敏度高的特點，應用領域廣泛。