多普勒測流儀—“河貓”在水文的應用

王 瑩，王 韋華，蘇文峰

(佳木斯水文局，黑龍江佳木斯154002)

“河貓”是由美國SonTeK公司生產;原中文釋名為“河流調查者”。有效利用“河貓”的特性和優點，把它應用到大小河道流量測量和斷面測量中，可以在搶測洪峰、城市防洪、引水和水資源優化配置中發揮很好的作用。“河貓”的使用特點是測驗時間短，精度高，易操作。只需測量船牽引“河貓”從斷面的一側行駛至另一側即可測到水道斷面的三維數據剖面圖及流量數據，較之流速儀測流，大幅度縮短測驗歷時，從而降低工作成本，提高水文工作的效率，加速水文事業現代化建設的進程。

1 測驗原理和方法

1.1 測驗原理

“河貓”測量基本原理是物理學中的聲學多普勒效應。當一個聲源在移動時，它相對于接收者的頻率將因為在介質中傳播而發生相應變化。其頻率為:

式中:f1為變化后接收者收到的頻率;f為波源的固有頻率;u為波在靜止介質中的傳播速度;ν0為測量者相對于介質的速度;νs為波源相對于介質的傳播速度。

在水流速度不是很大、河底沒有流沙的河道，“河貓”采用底跟蹤系統對反射回來的聲波信號進行處理。“河貓”通過接收和處理河底反射回來的信號來確定船體的絕對速度和實測斷面處的平均水深，并通過接收和處理斷面水體中的顆粒物反射回來的信號來確定水流相對于“河貓”的速度，從而得出水流的絕對速度。

1.2 測驗方法

測量中，可以將“河貓”用船體拖拉、人工拖拉或纜道拖拉的方法在實測斷面上行駛，將信號接收器放在岸上無線接收或在船上無線接收采集數據。無線采集數據的方式為搶測洪峰提供了安全保障。

2 “河貓”的設備和技術參數

2.1 硬件設備

以1.5MHZ“河貓”為例，一套完整的“河貓”設備主要由8個部分組成:①3個直徑約6cm的換能器;②數據處理器(CPU);③信號傳輸電纜;④底跟蹤定位系統;⑤DGPS定位系統;⑥無線信號傳輸接收器及電瓶;⑦配套船體;⑧便攜式電腦。

2.2 系統軟件(Riversurveyor)

Riversurveyor是“河貓”運行、操作軟件，在Windows環境下運行，內含水溫、水壓、流速、導航及流量處理模塊。使用時可進行參數設定、數據采集和存儲。它的重要功能之一是將通過無線信號接收器接收到的數據和計算結果顯示在計算機屏幕上，這樣就可以一目了然地看到實時流量、流速及施測斷面情況、“河貓”運動方向和水深隨時間的變化情況，方便掌握河流實時動態和調整“河貓”使之保持在斷面上的正確運行。

2.3 主要技術參數

1)流速:測量范圍是±10 m/s，準確度為所測流速之±1%;分辨率為0.1 cm/s;精度為±0.5 m/s。

2)水深:測深范圍在0.5～25 m。

3)溫度:分辨率為0.01℃;精度為0.1℃。

4)環境要求:工作溫度在 －5℃ ～40℃;存放溫度在－10℃～50℃。

5)電源:輸入電源為12V直流。

6)壓力探頭:應變式在±0.1%精度;RPT式在±0.01%精度。

3 比測實例

為了驗證“河貓”的測驗精度，在佳木斯水文站利用流速儀法與用“河貓”測流法進行了比測。佳木斯水文站斷面規整，河床穩定，水流條件好，歷年來水位—流量關系均為單一的關系曲線，含沙量較小且沖淤變化相對較小。

3.1 流量比測

佳木斯水文站自2003年引進“河貓”以來，在各水位級采用兩種設備進行多次對比試驗。在對比資料中，挑選部分比較具有代表性的資料成果(見表1)為研究對象，分析其在大、中型江河流量測驗中的適用性。

3.2 試驗方法

3.2.1 “河貓”測流

用非金屬測量船牽引，按SL 337—2006的要求，及測驗斷面的河流特性，在不同水位級進行試驗，以4次單程測流的平均值，來確定實測流量(見表1)。各參數數據的設置范圍:深度單元數20～30;脈沖時間間隔5 s;深度單元尺寸6～8 m;岸邊系數均取0.7;換能器入水深度0.10～0.15 m;最小盲區0.5 m。

3.2.2 流速儀測流

在測驗斷面按照河底及流向的變化，布設精密測速垂線25～30條，基本控制了斷面流速變化的轉折點，測驗設備采用LS25—3A型流速儀測速，測速歷時為100 s，每條垂線用多點法測速，岸邊系數取0.7。測量成果見表1。

表1 “河貓”與流速儀流量測驗數據成果表

3.3 適用條件

綜上所述，“河貓”測流系統，在水文外業，江河流量測驗中的適用條件是:

1)要求測驗河段水體懸移質含沙量較小，以不影響其發射和接收聲波信號即可。

2)選擇河床穩定，不受沖淤變化影響，既沒有推移質輸沙量的測驗斷面。

3)要求選擇水深>0.5m以上，斷面比較寬闊的測驗河段。

4)選擇水位—流量關系單一的測驗斷面，精度較高。

4 在測驗中需注意的問題

1)測量開始及結束需做好儀器的檢查工作，以保證測驗不出現問題。

2)各測量參數的設置需按照SL 337—2006的要求以及測驗河段的水文特征進行合理設置。

3)航測時要求船速不能過快，以船速盡可能小于或等于水流速度為標準。

4)流量的確定應取4次單程測量平均值，并且與每單程測量的誤差不大于±5%為標準。

5)對于寬淺式河道，低水測流時，岸邊距離的測量要精確，且流速不能<0.055 m/s。

6)用金屬船體測量時要使“河貓”距船體5m以上，以保證產生的磁場不影響內部數據運算及傳輸。做好以上工作是提高測驗精度，減少誤差來源的基本保障。

5 結語

利用“河貓”進行水文測驗中的流量和斷面測量，可以不受天氣狀況、斷面條件和時間的限制，進行短時間內的連續測量;同時，使用“河貓”進行斷面測量可以方便及時了解斷面情況、水深情況，最大限度發揮靈活方便和測量準確的優點，改變了傳統的水文測驗方式，提高了測驗效率，拓寬了測驗范圍。

隨著“河貓”技術的不斷改進，它將作為一種用來獲得流速、流量等水文數據的有效方法被廣泛應用，并最終取代常規測驗方法。

［1］ 水利部水文局.SL 247—1999水文資料整編規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1999.