FLOWTRACKER聲學多普勒流速儀在山區小型河流中的運用

摘 要：通過對FLOWTRACKER（水流跟蹤者）聲學多普勒流速儀工作原理以及操作步驟的簡要介紹，并結合在千丈巖-老龍洞連通試驗中的具體運用，為該儀器的使用提供參考，并建議推廣該儀器在野外原型觀測中的使用。

關鍵詞：多普勒頻移；流速測量；山區河流

近年來，我國在河流的治理與防洪減災工作過程中，投入了許多高新、尖端的精密測量儀器，與傳統的測量器具相比，這些儀器具有攜帶方便、使用便利、反應迅捷等優點。在這里，簡要介紹一種適用于山區小型河流流速測量的新儀器——FLOWTRACKER（水流跟蹤者）聲學多普勒流速儀。FLOWTRACKER（水流跟蹤者）聲學多普勒流速儀由SONTEK/YSI公司研發生產，專門用于流量小，河道窄的山區小型河流中流量測量，該儀器測量精度高、測量速度快、操作簡單、非常適合野外作業。下面詳細介紹該儀器。

1 儀器結構

圖1 顯示了 FlowTracker 儀器，并在主要部件邊標上了說明。

探頭——探頭部分（見圖 2）包括了用來測量流速的聲學部件。

探頭電纜線——探頭安裝在一根 200 厘米（80 英寸）的軟性電纜線的頂端。

手持控制器——手持控制器包括用于數據處理的電子線路，電池，鍵盤，和液晶顯示器。控制器設計成可以防水和短暫的浸沒在水中的性能，但不能用于長期放在水下操作。

鍵盤——FlowTracker 鍵盤設計成可以快速有效地鍵入采集數據的參數和操作命令。

液晶顯示器——液晶顯示器用來顯示各種指令和實時采集到的數據。

外置電源/通訊電纜線連接插座——手持控制器底部有一個防水的連接插座用來與外接電源/通訊用的電纜線連接。這個連接插座也同時可用來將FlowTracker 內部保存的數據下載到計算機中。在采集數據期間，這個連接插座用一個密封的螺絲帽蓋住的。

發射探頭——超聲波發射換能器發出一串能量非常集中而窄小的超聲波脈沖（聲波脈沖的直徑為 6 毫米）。

接收探頭——超聲波接收換能器安裝在發射探頭二旁的探頭支架上。接收探頭可以很靈敏地接收到很窄小的聲波波束，其焦點位于離開發射探頭一個固定距離（10 厘米， 4 英寸）的。

采樣體積——采樣體積是指測量水流速度的位置。

溫度傳感器——溫度傳感器安裝在探頭的內部。

2 工作原理

FlowTracker 手持式ADV 流速儀是專門設計用于野外流速測量的單點多普勒流速測量儀器。 FlowTracker 儀器是美國 SonTek/YSI 公司已經驗證的采用多普勒技術生產的一種多普勒聲學流速測量儀（ADV），采用了一種高分辨率的測速傳感器。ADV 技術可以提供一系列的測量優勢。

多普勒原理說明，如果一個聲源與它的接收物體之間有相對運動，那么在接收端接收到的聲波頻率與發送端的聲波頻率就會有差異。

Fdopple =- Fsource（V/C）式中：

Fdopple = 接收端變化后的頻率（多普勒頻移）。

Fsource = 發送端發出的聲音頻率。

V=聲源相對于接收端的移動速度。

C=聲波在水中傳播的速度。

速度V 代表聲源與接收端之間的相對速度（兩者之間產生距離改變的移動）。

FlowTracker 流速儀測量流速的過程如下所示：

發射聲波換能器（探頭）產生一串很短的已知頻率的聲波脈沖。

聲波沿發射探頭的聲波軸線在水中傳輸。

如聲波在傳播的過程中會通過采樣單元區域，聲波會被水中的懸浮顆粒（沉淀物、有機物、氣泡等）向各個方向反射（散射）。

一部分的反射聲波會沿著接收探頭的聲波軸線傳播。

反射的聲波信號被接收探頭接收到（采集到）。

FlowTracker 測量每個接收探頭采集的聲波是否有頻率變化（多普勒頻移）。

多普勒頻移是與沿著接收探頭和發射探頭的收發分置軸線的懸浮顆粒移動的速度成比例的。收發分置的軸線位于接收軸線和發射軸線之間夾角的中心軸。

知道了收發分置軸線的相對方位，FlowTracker 就可以計算二維或三維的水流速度了。

3 流速測量步驟

按住“開/關機”鍵1 秒鐘，直到液晶顯示器打開并顯示

按“確認”鍵可以進入“主菜單”

設置系統參數

檢查 參數設置菜單（在主菜單中按1，）。

- 系統單位（公制/英制）（在 參數設置菜單中按1）。

- 采樣平均時間（測量歷時）（在 參數設置菜單中按2）。

- 數據采集方式（設置成流速測量方式）（在 參數設置菜單中按3）。

- QC 設置（在 參數設置菜單中按4）。

- 鹽度（在 參數設置菜單中按6）。

主菜單 按3，開始運行數據的采集。

建立工作文件，按1

跳過測試，按2

將探頭放到測點的位置，按測量鍵 Measure 開始測量。

測量結果顯示如圖：

測量結束后按1 表示接受測量的結果，并移到下一點；按2 表示重新測量（在原來同樣的測點位置）。

4 測量過程中的注意事項

4.1安裝和裝配

FlowTracker 在使用中，通常是安裝在一根專門為 FlowTracker 設計的專用測桿上。該測桿也專門設計了供探頭和手持控制器安裝的裝置，這種安裝裝置的設計是非常靈活的，它可以更改以適應不同的安裝需要。這種測桿只適用于 SonTek公司生產的 FlowTracker。

4.2探頭的電纜線

從探頭連接到手持控制器的電纜線是一種對噪聲非常敏感的電纜線，應該引起一定的注意。

1）電纜線應該避免被刺割、摩損、或其它的損傷。

2）在安裝儀器的過程中，都應該保護好電纜線，以免過分的拉動或者受到損壞。

3）電纜線應避免受到過度的彎曲，特別是靠近探頭的那個部位的電纜線。

4.3探頭的安裝

4.4水流的干擾

1）FlowTracker 探頭應該遠離任何的水下建筑物或者其它障礙物，特別是要注意探頭上游的地方。

2）在選擇測量的多點時，要考慮靠近探頭的水下建筑物或者其它障礙物的大小和位置，以及水流的大小和方向。

4.5 維護和清洗

FlowTracker 探頭電纜線是整個系統中最容易受到損傷的部分，需采用預防措施，如果在儀器換能器的表面生長了一些藻類生物，這并不會影響到流速的測量，但是，會降低聲學信號的強度；特別是在比較清潔的水體測量時，會潛在地增加了背景噪聲。

5 實踐運用

在鄂渝邊界老龍洞——千丈巖水流連通試驗項目中，我們首次運用桑泰克流速儀進行流量測定。為了測量方便，首先在河床巖面上修筑矩形明渠（前提是小型山區河流），明渠長度以渠內通過水流能達到平穩狀態為準，本試驗為7M，在明渠段選擇一個斷面作為測量斷面，橫向從左到右依次布置10個流速斷面，各斷面縱向采用3點法（0.2/0.6/0.8）或1點法（0.6）測量，具體視明渠寬度及水深而定。實際測量操作時，由兩個人共同協作完成，一人手握測桿按第3章操作步驟依次在各斷面布置測量，另一人則負責操作手持電腦終端，對各測點的測量情況作出判斷，并根據測量結果，流速/水流偏轉角等判斷數據是否合理，是否進行重復測量等。測量的結果列表記錄以供流量計算使用。本方案先得到的是各測點流速，通過斷面的流量計算方法處理得到斷面流量。

流量的具體計算方法主要有部分中間法（mid section）、部分平均法（mean section）、日本法等，這里簡要介紹本儀器默認的部分中間法。

其中：

岸邊計算方法（開始岸，對岸，夾灘）；i=岸邊測量垂線（Loci， Depi）；j=鄰近垂線（Locj， Depj， Velj）

岸邊寬=Wi =（Locj-Loci）/2；岸邊面積=Areai=Wi * Depi；岸邊系數=CFi

岸邊流速=Veli=Cfi * Velj；岸邊流量=Qi=Areai * Veli

明渠部分計算方法：

垂線寬=Wi =（Loci+1-Loci-1）/2；垂線面積=Areai=Wi * Depi；垂線流速=Veli

垂線流量=Qi=Areai * Veli

總流量=Sum（Qi）

在實際操作我們發現，測量時測頭的方向擺置至關重要，必須嚴格按照操作規程放置，水流夾角應盡量在10°以內。分析試驗數據及計算結果可以看出，使用該流速儀測量的數據合理，測量精度滿足試驗要求。

6 結語

通過在山區河流中實地運用后，該流速儀攜帶及操作十分便捷，非常適合在此類小型山區河流中使用。因而我們推薦在野外觀測項目中應多使用該FLOWTRACKER聲學多普勒流速儀。

參考文獻：

[1] 王愛軍，汪亞平，高抒.聲學多普勒流速儀盲區數據處理及其在長江河口區的應用.[J]水利學報 2004（10）.

[2] 唐洪武，肖洋，陳瑪麗，王志良，高柱.聲學多普勒流速儀自動測量和分析系統.[J]河海大學學報（自然科學版）2003，11（9）.

[3] 馬國榮.多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應用[J]科技傳播，2014（4）.

作者簡介：崔旭（1983-），男，漢族，遼寧本溪人，工程師，本科，研究方向：水利水電工程。