探討含沙量對ADCP水流測驗(yàn)的影響

廣州水文分局嘉禾蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站 廣東廣州 510000

摘要：本文主要針對含沙量對ADCP水流測驗(yàn)的影響展開了深入探討，結(jié)合了具體的實(shí)例，系統(tǒng)闡述了含沙量對ADCP的影響，并通過對ADCP的分析提出了相應(yīng)的解決方法，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：含沙量；ADCP；探討

所謂的ADCP，就是指聲學(xué)多普勒流速剖面儀，它是二十世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種新型測流設(shè)備。ADCP具有能直接測出斷面的流速剖面、具有不擾動流場、測驗(yàn)歷時短、測速范圍大等特點(diǎn)，目前被廣泛用于海洋、河口的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測驗(yàn)等。但是，ADCP測流會受到含沙量的影響，而使測流結(jié)果與實(shí)測值產(chǎn)生較大誤差。因此，必須對含沙量的影響要有一定的重視，采取相應(yīng)的方法進(jìn)行解決，提高ADCP測流的準(zhǔn)確性。

1 問題的提出

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）已在流量測驗(yàn)的各個方面取得廣泛應(yīng)用。某水文站采用水平式聲學(xué)多普勒流速儀（H-ADCP）和走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀相結(jié)合的方法對河口區(qū)實(shí)現(xiàn)了潮流量實(shí)測及資料整編，某水文站在平原河網(wǎng)成功應(yīng)用H-ADCP對流量進(jìn)行實(shí)測，利用走航式ADCP測驗(yàn)斷面流速流向分布。ADCP回波強(qiáng)度和含沙量具有明確的相關(guān)關(guān)系。ADCP是聲學(xué)原理儀器，一方面其必須依靠水中的顆粒物反射來計(jì)算頻移，要求水中有一定含量的顆粒物（主要指泥沙）；另一方面，水中顆粒物含量不能太高，太高會導(dǎo)致聲波被大量吸收而造成回波強(qiáng)度有效距離變短，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而影響斷面流量的計(jì)算。這種情形是客觀存在的，解決泥沙對ADCP的影響，能否通過后續(xù)處理降低影響，目前研究較少。

2 含沙量對H-ADCP測流有效距離的影響

H-ADCP是以固定發(fā)射聲波測量水體流速的儀器。通過測定水體中被懸浮物質(zhì)（浮游生物和泥沙）反射回來的反向散射回波相位或頻率的變化，將回波轉(zhuǎn)化成沿聲學(xué)波束的速度分量，再根據(jù)剖面大小計(jì)算流量。聲吶方程（Urick，1975年）包含：聲傳播區(qū)、散射強(qiáng)度區(qū)、聲源電平和傳輸損失等。其中傳輸損失是到聲傳播區(qū)的距離和水體吸收系數(shù)的函數(shù)，包括因擴(kuò)散和吸收導(dǎo)致的損失。在H-ADCP的應(yīng)用中，由泥沙引起的傳輸損失較為顯著。

2.1 測流有效距離縮短的表現(xiàn)及對推流結(jié)果的影響

在泥沙含量較低和泥沙含量較高的情況下，H-ADCP測流有效距離的變化見圖1和圖2。圖1和圖2中，①號曲線是理論上H-ADCP發(fā)射聲波的回波強(qiáng)度隨距離的變化，②號和③號曲線分別是實(shí)測的H-ADCP的2個換能器所發(fā)射聲波的回波強(qiáng)度隨距離的變化。從圖1和圖2的對比可以看出，在泥沙含量較高的情況下，測流有效距離在35m附近時（見圖2虛豎線）回波強(qiáng)度的數(shù)值已衰減到50以下，不能被儀器識別，較其理想狀態(tài)下的120m（見圖1）大為縮短。

圖1 泥沙含量較低時回波強(qiáng)度隨距離的變化圖

圖2 泥沙含量較高時回波強(qiáng)度隨距離的變化圖

當(dāng)H-ADCP不受泥沙影響時，回波有效距離可達(dá)到120m。以之江水文站H-ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)來說明測流有效距離縮短對流量的影響。打開儀器的多剖面模式，為避開岸邊的紊流，將H-ADCP的盲區(qū)設(shè)置為5m，H-ADCP水平方向朝河心5～80m范圍內(nèi)的流速作為指標(biāo)流速。將所測5～80m范圍水域在水平方向進(jìn)行平均劃分，共分成10個部分，每部分稱為1個流層，每個流層寬度為7.5m。

2.2 測流有效距離縮短發(fā)生時段分析

測流有效距離縮短主要發(fā)生在洪水的后半段、涌潮到來時等含沙量較高的時段。根據(jù)水質(zhì)自動站數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)濁度和測流有效距離密切相關(guān)。當(dāng)濁度值超過70NTU時，測流有效距離開始縮短；當(dāng)濁度值達(dá)到94NTU時，測流有效距離縮短至70m；當(dāng)濁度值達(dá)到116NTU時，測流有效距離縮短至60m。

3 解決方法

本文以某水文站H-ADCP流量實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，探討H-ADCP在含沙量較大、測流有效距離縮短情況下的解決方法。

3.1 水文站流量實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)

水文站斷面寬度955m，在斷面的左右岸各安裝1臺H-ADCP。儀器選用的是頻率為500kHz的HADCP，儀器最大實(shí)測距離120m。

H-ADCP可連續(xù)監(jiān)測所測量范圍內(nèi)的流速。在HADCP連續(xù)監(jiān)測的同時，使用走航式聲學(xué)多普勒流速儀開展全斷面流量測驗(yàn)，全斷面流量測驗(yàn)選取大、中、小典型潮時期進(jìn)行。走航式聲學(xué)多普勒流速儀可測得斷面平均流速，然后取得H-ADCP在走航式聲學(xué)多普勒流速儀實(shí)測相應(yīng)時段內(nèi)所監(jiān)測到的流速。以斷面平均流速為橫坐標(biāo)，以H-ADCP所測相應(yīng)時段流速為縱坐標(biāo)，進(jìn)行曲線擬合，所擬合出的曲線要求通過三性檢驗(yàn)且隨機(jī)不確定度最小。

3.2 分段定線法

前文已描述泥沙對回波強(qiáng)度有效距離及推流數(shù)據(jù)的影響，為了彌補(bǔ)H-ADCP的不足，提出根據(jù)H-ADCP的回波強(qiáng)度有效距離分段定線，即定出5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80等6條曲線。具體做法為：打開H-ADCP的數(shù)據(jù)后處理軟件，將10個流層的流速數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表里，在擬定5～30m曲線時，選取10個流層的第1～4流層的平均流速作為指標(biāo)流速，和同時段的斷面平均流速組成一組數(shù)據(jù)，這樣，不同流速級就有若干組數(shù)據(jù)，然后以斷面平均流速為橫坐標(biāo)，以多流層平均流速作為指標(biāo)流速擬定關(guān)系曲線。所定關(guān)系曲線示見圖3。

圖3 5～30m關(guān)系曲線示例圖

在5～40m曲線定線時，選取10個流層的第1～5流層的平均流速作為指標(biāo)流速，依照擬定5～30m曲線的方法擬定出5～40m曲線，根據(jù)距離依次類推，直到將6條曲線全部定出，畫在同一圖上（見圖4）。第一象限內(nèi)順時針開始分別是5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80m等6條曲線。

圖4 六條曲線示例圖

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