聲學多普勒流速剖面儀在水文站中的應用

鄭念發，鄒曉天，高宇峰，李迎春

（吉林省水文水資源局吉林分局，吉林 吉林市 132013）

傳統的河流流量測驗儀器主要采用的是流速儀，故稱為流速儀法。流速儀法廣泛應用于人工船測，橋測，纜道，涉水測量等。這種傳統的測驗方式費工，費時，效率低。

用聲學多普勒流速剖面儀進行河流流量測驗，是近十幾年才發展起來并得到越來越多應用的新的流量測驗方法。聲學多普勒流速剖面儀流量測驗方法的發明，被認為是河流流量測驗領域的一次革命。當裝備有聲學多普勒流速剖面儀的測船從測流斷面一側航行至另一側時，聲學多普勒流速剖面儀即刻測出河流流速分布并算出流量。它比傳統的河流流量測驗方法提高效率幾十倍。它的應用標志著河流流量測驗的現代化。聲學多普勒流速剖面儀分為走航式聲學多普勒流速剖面儀和固定式聲學多普勒流速剖面儀。

1 流量測驗原理

從理論上講，聲學多普勒流速剖面儀流量測驗原理與傳統流速儀法相同。聲學多普勒流速剖面儀方法和傳統流速儀法都將測流斷面分成若干子斷面，在每個子斷面內垂線上一點或多點流速并測量水深，從而得到子斷面內的平均流速和流量。再將各個子斷面的流量疊加得到整個斷面的流量。然而，與傳統流速儀相比，聲學多普勒流速剖面儀方法有如下不同：

（1）傳統流速儀法是靜態方法，流速儀是固定在測點的，聲學多普勒流速剖面儀方法是動態方法，聲學多普勒流速剖面儀在隨測船運動過程中進行測驗。

（2）應用傳統流速儀法時，由于采樣費時，通常不可能將子斷面劃分的很細，垂線流速測量點也不可能很多。而應用聲學多普勒流速剖面儀時，由于聲學多普勒流速剖面儀采樣速率很高，可以將子斷面劃分的很細，垂線流速測量點也可以很多。

（3）傳統流速儀法要求測流斷面垂直于河岸。聲學多普勒流速剖面儀方法不要求測流斷面垂直于河岸。測船航行的軌跡可以是斜線或曲線。

（4）為了計算流量，聲學多普勒流速剖面儀在走航中測量如下數據：

①相對流速(由水跟蹤測出)。

②船速(由底跟蹤測出，或由GPS算出)。

③水深(由河底回波強度測出，類似于回聲測深儀)。

④測船航行軌跡 (由船速和計時數據算出，或由GPS測出)。

在進行斷面流量測驗過程中，聲學多普勒流速剖面儀實際測量的區域為斷面的中部區域，這個區域稱為聲學多普勒流速剖面儀實測區。而在4個邊緣區域內聲學多普勒流速剖面儀不能提供測量數據或有效測量數據。第一個區域靠近水面(表層)，其厚度大約為聲學多普勒流速剖面儀換能器入水深度，聲學多普勒流速剖面儀盲區，以及單元尺寸一半之和。第二個區域靠近河底，稱為旁瓣區。其厚度取決于聲學多普勒流速剖面儀聲束角。例如對于聲束角為20度的聲學多普勒流速剖面儀，相應的旁瓣區厚度大約為水深的6%。第3和第4個區域為靠近兩側河岸的區域，因其水深較淺，測量船不能靠近或者聲學多普勒流速剖面儀不能保證在垂線上至少有一個或兩個有效測量單元。這四個區域通稱為非實測區。其流速過流量需通過實測區數據外延來估算。

2 實際應用

2.1 吉林水文站基本概況

吉林水文站始建于1933年，位于吉林市松江中路，是第二松花江干流控制站，控制流域面積44060 km2，防汛位置十分重要。

2.2 實際應用中的注意事項

吉林水文站在實際應用聲學多普勒流速剖面儀的過程中，結合儀器使用說明書，逐步摸索出該儀器的使用性能，及應注意的事項：

（1）船速越慢精度越高，一般船速不超過最大流速。如果想得到最佳的測量結果，測船的速度不要大于河水的流速。需要指出，開始時船頭要朝著逆流方向航行，在橫越河流斷面時再慢慢糾正航向，這樣可以保持測船的斷面航跡到對岸時的流量數據采集。

（2）測量斷面的選擇仍然應遵照水文調查規范的要求。

（3）在未知河段測量時，應先預測一次，然后將測得的河床深度、形狀及流速大小輸入到“設置向導”中，以設置合適的測量參數。

（4）對于岸邊聲學多普勒流速剖面儀不能測驗區域的水面距離，必須采用電子測距儀器，測繩，或者其它能夠精確測量距離的儀器。在開始及結束(“有效層數”不小于2層)時測量的岸邊，船應稍停留片刻，以便獲得用于計算岸邊流量的10個平均數據。

（5）認真測讀換能器吃水深度、儀器離岸邊距離，和岸邊坡度系數等數據，并將信息及時傳輸給程序操作人員。

（6）當水深較淺、或漂浮物較多時，應密切觀察儀器運行情況，避免采集數據丟失，儀器損壞。

（7）對于流量穩定的河流，至少要進行兩個測回（4次）測量，來回各兩次。取4次測量的平均值作為實測流量，4次測量值中任一個與平均值之差應小于5%。

2.3 聲學多普勒法與流速儀法比測實驗

按照“聲學多普勒測驗規范”的要求和“流速儀法的測驗規范”要求同步完成流量測驗15次，根據兩種不同測驗方法的測驗結果，經分析得出如下結論：

聲學多普勒法與流速儀法比測相對誤差，13次控制在3%以內，2次控制在5%以內，其測驗精度滿足GB50179-93《河道流量測驗規范》規定一類精度的水文站高中低水的總隨機不確定為5%，6%，9%的要求。通過對比試驗，吉林水文站水位在186，30 m左右，流量在320 m3/s左右，水面寬在450 m左右，流速在0.85 m/s時，用流速儀法施測，需要測驗人員5人，耗時70 min左右；用聲學多普勒流速剖面儀施測，只需3人，耗時35 min左右，用聲學多普勒流速剖面儀法比流速儀法大大節省了人力，節省了時間，提高了流量測驗的時效性。另外，流速儀法施測流量，需要設立固定的主索鋼架，固定的測驗斷面，對于水深、流速都有約束，而聲學多普勒流速剖面儀法卻不受環境限制，水深、流速的測量范圍都較寬，可以施測超過20 m/s的流速，和最大可達75 m的水深，聲學多普勒流速剖面儀可以廣泛的應用到“特大洪水”和“突發水事件”的應急流量測驗，方便、快捷，提高時效性，還可節省大量的人力物力。

2.4 實際中存在的問題和建議

吉林水文站通過一年多時間學習和使用聲學多普勒流速剖面儀，在掌握了其流量測驗技能同時，也發現了許多問題，主要表現在以下幾個方面；

（1）低水時船速難以小于水流速度，但為了了解儀器性能，分別在實驗中特將船速高于水流速度2～3倍。（均勻加速）時所取得的資料的結果表明，還是能達到要求的精度，但必須保證換能器不要露出水面。

（2）在數據回放后，都會自動建立一個新的內容與原始相同的配置文件。

（3）流量測驗結果沒有最大流速、最大水深等重要水文數據。

（4）施測中，偶有單個數據采集不到，可能是換能器瞬間露出水面引起的。

（5）在一次完整流量測驗中，雖然流量能滿足要求，但各個測回的面積相差很大，可能是每次航跡不同所致，因此需要在斷面兩岸分別設置標志，使船舶駕駛員根據標識保持預定斷面航行。

[1]GB50179-93.河流流量測驗規范[S].

[2]SL337-2006.聲學多普勒流量測驗規范[S].