聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期流量測(cè)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)探索

劉陽(yáng)明，李加偉，吳高莊

（松遼委黑龍江水文水資源勘測(cè)局，黑龍江 黑河 163400）

近年來(lái)，聲學(xué)多普勒流速儀在暢流期水文測(cè)驗(yàn)中已廣泛使用，而在封凍期流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用則受到地域和氣候的限制，基本尚未開展。為適應(yīng)水文現(xiàn)代化要求，減少封凍期流量測(cè)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)驗(yàn)精度,首次將聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用到封凍期河流流量測(cè)驗(yàn)中。于2007，2008年冬季及2009年春季期間，在黑龍江干流卡倫山水文站進(jìn)行了ADP與機(jī)械旋漿式流速儀封凍期流量比測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合實(shí)際操作中遇到的問(wèn)題以及 《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中未對(duì)封凍期流量測(cè)驗(yàn)做出規(guī)定的方面，提出針對(duì)性的建議和措施，進(jìn)而提高聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期河流的流量測(cè)驗(yàn)精度，促進(jìn)了聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展。

1 斷面磁方向校正

在使用ADP進(jìn)行冰期流量測(cè)驗(yàn)前，需做一次斷面磁方向標(biāo)定，來(lái)確定河道流量測(cè)驗(yàn)的斷面線。如果ADP磁羅經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題或在外部磁場(chǎng)干擾下進(jìn)行ADP標(biāo)定斷面方向時(shí)，會(huì)影響到ADP流量測(cè)驗(yàn)的精度。在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中需使用外帶羅經(jīng)進(jìn)行斷面磁方向校對(duì)，誤差應(yīng)小于2°。如果磁方向角大于2°，應(yīng)及時(shí)對(duì)ADP換能器進(jìn)行羅盤校正，并按《ADP儀器操作手冊(cè)》中的方法對(duì)儀器進(jìn)行羅盤校正。

ADP進(jìn)行斷面磁方向標(biāo)定時(shí)，由于ADP方向箭頭很小而且還在儀器換能器的下面，這樣現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定箭頭與斷面線是否在一直線時(shí)，本身就存在不可避免的誤差，需標(biāo)定3～5次，取其均值作為斷面方向數(shù)值來(lái)減小誤差。

2 ADP單條垂線測(cè)驗(yàn)歷時(shí)分析確定

減小ADP流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)并能保證流量測(cè)驗(yàn)精度，主要取決于ADP進(jìn)行單條垂線水深和流速測(cè)量時(shí)間。通過(guò)對(duì)只結(jié)冰的垂線、既結(jié)冰又有冰花的垂線、 有兩層冰的垂線在 20，40，60，80，100，120，150，200s以及300s的時(shí)間內(nèi)測(cè)量的水深和流速，分析其在歷時(shí)最短又能保證水深和流速的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

（1）測(cè)深歷時(shí)分析。采用每間隔5s測(cè)量一次垂線水深，連續(xù)累積300s（圖1），測(cè)試水流變化和河底河床的穩(wěn)定性。采用在300s內(nèi)每間隔5s測(cè)量一次垂線平均水深，并連續(xù)累積計(jì)算平均水深（圖2）。實(shí)測(cè)分析出在最短時(shí)間內(nèi)水深趨于穩(wěn)定，且接近真實(shí)的水深。

通過(guò)圖1，2和可以看出測(cè)驗(yàn)歷時(shí)在30s后垂線平均水深趨于穩(wěn)定。

（2）測(cè)速歷時(shí)分析。采用每間隔5s測(cè)量一次垂線平均流速度連續(xù)累積300s，測(cè)試水流脈動(dòng)的周期和頻率。采用歷時(shí)300s內(nèi)每間隔5s測(cè)量一次垂線平均流速度，連續(xù)累積計(jì)算垂線平均流速。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，測(cè)驗(yàn)歷時(shí)在100s后垂線平均流速實(shí)測(cè)值趨于穩(wěn)定，但由于可能受冰孔圍周冰厚不均勻、冰花分布不均勻、冰鉆車打孔后破壞了垂線的冰厚和冰花的自然分布等因素影響，垂線測(cè)驗(yàn)歷時(shí)還需延長(zhǎng)。在120s與300s內(nèi)計(jì)算的垂線平均流速基本相等，最大誤差不大于3%，這說(shuō)明歷時(shí)120s內(nèi)實(shí)測(cè)的垂線平均流速能夠反映出當(dāng)時(shí)垂線平均流速情況，滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求。冰期ADP垂線流速和水深的測(cè)驗(yàn)歷時(shí)為120s，如遇到特殊情況，包括河道冰情變化、時(shí)間限制、特殊水情等，垂線流速和水深的測(cè)驗(yàn)歷時(shí)不應(yīng)小于100s。

3 ADP垂線測(cè)量時(shí)換能器位置的選擇及冰花處理

ADP進(jìn)行垂線測(cè)量時(shí)換能器的入水深度和所在冰孔冰厚的位置對(duì)實(shí)測(cè)垂線平均流速有直接的影響。為此在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次比測(cè)實(shí)驗(yàn)。

ADP換能器發(fā)射聲波信號(hào)的部件沿主軸向外側(cè)傾斜25°，當(dāng)ADP的換能器放在水面與冰底部之間時(shí)，換能器發(fā)射的聲波反射回ADP換能器。接收過(guò)程中受到冰厚的影響，聲波發(fā)生了變化，不能夠接收到有效信號(hào)，嚴(yán)重影響了實(shí)測(cè)水深和流速的有效性，因此應(yīng)將ADP換能器放到冰底部5～15cm處，從所測(cè)得的流速相對(duì)穩(wěn)定，與機(jī)械流速儀測(cè)量值相對(duì)接近。

遇到有冰花的冰孔，當(dāng)ADP換能器放在冰底，所發(fā)出的聲波通過(guò)冰水混合時(shí)，改變了聲波的波長(zhǎng)，使ADP換能器不能接到原波長(zhǎng)的聲波，故將無(wú)法測(cè)到水深和流速，應(yīng)將聲學(xué)多普勒流速儀放到冰花以下5～15cm處。對(duì)于有2層冰的冰孔，應(yīng)將ADP換能器應(yīng)放到二層冰下10cm處。

ADP探頭放在距冰底距離較近時(shí)，探頭附近周圍的冰厚有可能高于探頭底部。ADP在實(shí)測(cè)過(guò)程中，第一個(gè)受噪音影響的速度點(diǎn)的速度值小于等于零，這樣使頂部插補(bǔ)的曲線為零值的直線，測(cè)得的垂線平均流速也為0。因此探頭應(yīng)放在冰孔底部以下10cm處。

換能器放到冰孔的冰花下面，與實(shí)際旋漿式流速儀的實(shí)測(cè)結(jié)果是相同的。應(yīng)將ADP探頭放在第三點(diǎn)流速的下面，不然就會(huì)出現(xiàn)有效水深變大，擬合的垂線流速曲線與實(shí)際情況不符，垂線平均流速變小。

4 概化外延垂線流速分布冪指數(shù)計(jì)算方法

4.1 概化垂線流速分布冪指數(shù)模型

ADP使用RiverSurveyor軟件采集垂線120s數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量文件中，并以每0.25m為一個(gè)采樣單元對(duì)速度剖面進(jìn)行垂直積分，對(duì)每個(gè)采樣單元進(jìn)行平均，得到垂線的平均流速。ADP在進(jìn)行垂線測(cè)量過(guò)程中，實(shí)際測(cè)量的區(qū)域?yàn)閿嗝娴闹胁繀^(qū)域 （中層），這個(gè)區(qū)域稱為ADP實(shí)測(cè)區(qū)。而在垂線上下兩個(gè)邊緣區(qū)域內(nèi)，ADP由于受方法及現(xiàn)有技術(shù)的限制，不能提供測(cè)量數(shù)據(jù)或有效測(cè)量數(shù)據(jù)，因此存在上下兩個(gè)盲區(qū)。

第一個(gè)區(qū)域是靠近水面（表層）的盲區(qū)，由于換能器由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)時(shí)，需要一個(gè)時(shí)段，而在該時(shí)段內(nèi)，換能器附近水域的反射信號(hào)已經(jīng)返回，換能器來(lái)不及接收這些信息，且由于受冰層的漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測(cè)失真，因此形成了表層盲區(qū)，其厚度大約為從冰底到換能器底部及垂線第一個(gè)單元厚度之和，約為35cm。第二個(gè)區(qū)域是靠近河底（底層）的盲區(qū)，稱為“旁瓣區(qū)”（河底對(duì)聲束的干擾區(qū)）。由于受河底漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測(cè)失真，盲區(qū)厚度取決于ADP聲束角，即換能器與ADP軸線的夾角。兩部分盲區(qū)其流速需要通過(guò)實(shí)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)外延來(lái)估算，均采用概化垂線流速分布冪指數(shù)模型插補(bǔ)盲區(qū)流速曲線分布。根據(jù)不同水位級(jí)精測(cè)法測(cè)點(diǎn)流速資料，采用概化指數(shù)流速分布公式求得：

式中 uη—某相對(duì)水深η處的測(cè)點(diǎn)流速；umax—垂線上最大測(cè)點(diǎn)流速，一般用垂線有效水深0.5位置點(diǎn)流速代替；η—相對(duì)水深，為Z/H，Z為測(cè)點(diǎn)離河底距離，H為水深（由河底起算）；b—冪函數(shù)指數(shù)。

根據(jù)式（1）可確定冪指數(shù)b：

將實(shí)測(cè)垂線點(diǎn)流速uη和對(duì)應(yīng)的相對(duì)水深η點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，采用冪指數(shù)公式擬合直線的斜率，即為bj值，可用Excel冪函數(shù)取雙對(duì)數(shù)擬合，截距為 lgηmax。

按聲學(xué)多普勒流速剖面儀計(jì)算規(guī)則，微斷面（可近似看成垂線）深度平均流速x方向分量（測(cè)速垂線平均流速）按下式（3）計(jì)算：

式中 Z1為最后一個(gè)有效單元的高度；Z2為河底至第一個(gè)有效單元的高度；H為測(cè)速垂線水深，Dc為單元長(zhǎng)度；uxj為單元 j中所測(cè)的x向流速分量，相當(dāng)于流速儀測(cè)速垂線上“測(cè)點(diǎn)流速”；b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取0.1667。

ADP測(cè)流軟件根據(jù)測(cè)流過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定Z1，Z2，H，Dc，uxj等參數(shù)，唯有冪函數(shù)指數(shù) b 是假設(shè)值。

ADP設(shè)置文件中將冪函數(shù)指數(shù)b值取為為常數(shù)原因：一是黑龍江干流水文站的測(cè)驗(yàn)河段無(wú)相關(guān)資料，冪指數(shù)b不能確定；二是根據(jù)理論上明渠指數(shù)流速垂向分布曲線形狀，推薦假設(shè)b為常數(shù)，主要出于斷面垂向流速分布的平均情況來(lái)考慮的。《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（50179-93）中，推薦b=0.11～0.20；測(cè)站如無(wú)實(shí)測(cè)資料概化或準(zhǔn)確得出冪函數(shù)指數(shù)值，也可采用=0.1667用于聲學(xué)多普勒流速剖面儀測(cè)流參數(shù)設(shè)置。

表層有冰花冰孔的流速曲線與表層無(wú)冰花冰孔的流速曲線理論分布是不一致的，其主要原因是由于冰花和冰厚的摩阻系數(shù)不同，以及冰花空間分布所引起的。經(jīng)過(guò)比測(cè)試驗(yàn)確定有冰花的冰孔表層流速插補(bǔ)冪函數(shù)指數(shù)b值為0.30～0.40之間，主要取于冰花空間分布的厚度和密度大小來(lái)具體確定。

4.2 垂線流速分布對(duì)比

相同垂線下的ADP流速儀與旋漿式流速儀實(shí)測(cè)垂線流速分布對(duì)比見(jiàn)圖3，表1。

表1 ADP和旋漿式流速儀垂線平均流速比測(cè)分析表

2009年3月14日起點(diǎn)距為250m處帶有冰花的冰孔處水深為3.84m，冰厚1.40m，冰花厚為0.20m。圖3（a）為ADP實(shí)測(cè)流速分布，表層采冪函數(shù)指數(shù)=0.16667值插補(bǔ)模型，平均流速為0.40m/s；圖3(b)為ADP 實(shí)測(cè)流速分布，表層采冪函數(shù)指數(shù)=0.40補(bǔ)模型，平均流速為0.38m/s；圖3(c)為旋漿式流速儀實(shí)測(cè)垂線流速分布，平均流速為0.37m/s。從垂線流速分布和垂線平均流速可以說(shuō)明冪函數(shù)指數(shù)取0.16667時(shí)表層插補(bǔ)流速曲線與旋漿式流速儀不一致，與有冰花的理論流速曲線不符；冪函數(shù)指數(shù)取0.40時(shí)表層插補(bǔ)流速曲線與旋漿式流速儀一致，與有冰花的理論流速曲線變化趨勢(shì)一致，能夠反映有冰花的冰孔表層流速的自然分布。根據(jù)地理位置、封江形勢(shì)、冰花分布初步擬定帶有冰花的冰孔表層插補(bǔ)冪函數(shù)指數(shù)在0.30～0.40之間。

從垂線流速分布曲線比測(cè)圖以及表1中可以得出：

（1）ADP中間層實(shí)測(cè)流速曲線分布與旋漿式流速儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同，能夠反映實(shí)際垂線流速分布。ADP計(jì)算垂線平均流速與旋漿式流速垂線平均流速誤差滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求。

（2）采用概化垂線流速分布冪指數(shù)模型對(duì)冰底表層和河底盲區(qū)流速分布進(jìn)行插補(bǔ)、擬合的流速分布曲線能夠反映流速的自然分布情況。確定冪函數(shù)指數(shù)參數(shù)b值，河底底層和表層無(wú)冰花的為0.166667；表層有冰花的為0.30～0.40之間。