淺析多普勒流量剖面儀在水文觀測(cè)中的應(yīng)用

摘要：文章旨在實(shí)現(xiàn)多普勒流量剖面儀在水文觀測(cè)中的綜合應(yīng)用，通過(guò)結(jié)合多普勒流量剖面儀的工作原理，以長(zhǎng)洲水利樞紐為例，對(duì)水文觀測(cè)的適用性做了分析，結(jié)合水流狀況，合理的選擇硬件配置，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的控制，分析測(cè)量的結(jié)果，并分析應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了具體的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：多普勒流量剖面儀；水文觀測(cè)；測(cè)量控制；測(cè)量結(jié)果；長(zhǎng)洲水利樞紐 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P332 文章編號(hào)：1009-2374（2016）36-0157-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.078

多普勒流量剖面儀主要是測(cè)量三維流場(chǎng)的一種剖面圖，在海洋監(jiān)測(cè)以及環(huán)境保護(hù)中有著多方面的應(yīng)用。借助于聲波對(duì)水流的速度進(jìn)行遙測(cè)，避免給流場(chǎng)帶來(lái)干擾，同時(shí)航行過(guò)程，可以迅速地測(cè)量流速剖面。為了進(jìn)一步探討多普勒流量剖面儀在水文觀測(cè)中的應(yīng)用效果，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江水利樞紐至廣東封開(kāi)縣進(jìn)行實(shí)例分析。儀器采用了自動(dòng)適應(yīng)不同水深的單一工作模式，在各種不同水深或河床水深變化很大的河道中進(jìn)行測(cè)量，同樣可靠而穩(wěn)定，而且軟件的使用非常方便，只需幾分鐘就可以設(shè)置完畢，投入運(yùn)行，應(yīng)用于河道流速和流量測(cè)驗(yàn)、海洋流場(chǎng)觀測(cè)、船只和水下載體導(dǎo)航等。本文對(duì)此做了深入的研究。

1 長(zhǎng)洲水利樞紐壩下至廣東封開(kāi)縣概況

長(zhǎng)洲水利樞紐是西江黃金水道建設(shè)的咽喉要道，自建成運(yùn)行以來(lái)，壩下河床受清水沖刷、河道采砂和航道整治影響，水位下降明顯，造成現(xiàn)有一、二線船閘枯水航深不足、通航保證率降低，制約了長(zhǎng)洲航運(yùn)節(jié)點(diǎn)的通過(guò)能力。為了提高西江干線瓶頸河段的通過(guò)能力，滿足航運(yùn)發(fā)展的需要，長(zhǎng)洲水利樞紐三線、四線兩個(gè)3000t級(jí)船閘工程于2009年12月開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)2014年底建成通航。西江是珠江主干流，上接滇黔湘，下連粵港澳，是溝通西南地區(qū)通江達(dá)海的水路運(yùn)輸大通道，是兩廣交通運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈。長(zhǎng)洲在建三、四線船閘投入運(yùn)行后將大幅提升長(zhǎng)洲樞紐的通過(guò)能力，但現(xiàn)有一、二線船閘仍將承擔(dān)很大一部分貨物通行，枯水期仍將面臨礙航問(wèn)題，隨著西江黃金水道建設(shè)的加快，從根本上解決一、二線船閘枯水航深問(wèn)題，全面提升長(zhǎng)洲樞紐整體能過(guò)能力是西江黃金水道建設(shè)中迫切需要的。長(zhǎng)洲水利樞紐運(yùn)行以來(lái)，受樞紐清水沖刷、下游河段航道整治以及河道挖沙等影響，壩下枯水位下降，現(xiàn)有一、二線船閘通航保證率降低，抑制了船閘通過(guò)能力，本次原型觀測(cè)的目的是為長(zhǎng)洲樞紐一、二線船閘通過(guò)能力提升關(guān)鍵技術(shù)研究提供基礎(chǔ)資料，觀測(cè)長(zhǎng)洲樞紐壩下河段新的水沙變化資料以及灘槽相應(yīng)演變的資料，收集與之相關(guān)的其他水力資料。

2 測(cè)量控制

2.1 測(cè)量原理

多普勒流量剖面儀通過(guò)打破機(jī)械式的儀器測(cè)驗(yàn)過(guò)程，結(jié)合測(cè)驗(yàn)的成果進(jìn)行聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)，測(cè)驗(yàn)的速度和精度不斷提高，同時(shí)也有著較強(qiáng)的現(xiàn)代化水平。多普勒流量剖面儀有四個(gè)換能器，和軸線形成一定的夾角，不僅可以作為發(fā)射器，同時(shí)也可以作為接收器。換能器發(fā)射的過(guò)程，借助于集中的聲波處理，同時(shí)換能器的發(fā)射過(guò)程，可以回收顆粒散射回來(lái)的聲波。聲學(xué)多普勒流速剖面儀主要由主機(jī)、工作電纜和顯控軟件組成。其工作原理是通過(guò)測(cè)量設(shè)備發(fā)射的聲學(xué)信號(hào)經(jīng)被測(cè)水體或海底散射后產(chǎn)生的多普勒頻移來(lái)估計(jì)設(shè)備相對(duì)于水體或海底的運(yùn)動(dòng)速度。與傳統(tǒng)設(shè)備相比具有能直接測(cè)出斷面的流速剖面、測(cè)量精度高、不干擾被測(cè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，此外由于其在進(jìn)行流速測(cè)量的同時(shí)，能夠測(cè)量設(shè)備的相對(duì)河底的高度和運(yùn)動(dòng)速度，因此通過(guò)走航測(cè)量可直接估計(jì)出被測(cè)河道斷面的流量。

2.2 多普勒流量剖面儀的測(cè)量

2.2.1 測(cè)量準(zhǔn)備。測(cè)圖時(shí)間為2014年12月～2015年5月中枯水期，結(jié)合三、四線船閘下引航道施工情況分兩次測(cè)量：除長(zhǎng)洲樞紐三、四線船閘引航道以及因水淺難以測(cè)量區(qū)域（淺灘、壩田等），其余范圍地形測(cè)量在枯水期完成。長(zhǎng)洲樞紐三、四線船閘引航道以及枯水期因水淺難以測(cè)量的區(qū)域（淺灘、壩田等），待三、四線船閘引航道施工完成后的中水期進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

測(cè)量范圍主要是長(zhǎng)洲樞紐至界首灘尾約23km地形觀測(cè)：測(cè)量范圍自長(zhǎng)洲水利樞紐壩軸線至大元沖口下游1.5km處的界首灘尾，包括長(zhǎng)洲樞紐一線至四線船閘輪廓，已建或在建的水工設(shè)施的輪廊測(cè)量。測(cè)圖比例為1∶2000，航道整治建筑物附近需要加密測(cè)點(diǎn)。對(duì)長(zhǎng)洲一線至四線船閘、下游引航道區(qū)域以及礙航灘段的礁石區(qū)域進(jìn)行必要的1∶500局部地形觀測(cè)。測(cè)量過(guò)程中，全河段地形圖以高程繪制，基面與水文資料的基面一致；兩岸測(cè)量范圍為測(cè)至高堤；丁壩、潛壩、圍堤的寬度和高程以及缺口的寬度和高程，水流走向等均應(yīng)在圖上標(biāo)記清楚；圖上應(yīng)標(biāo)記水尺、測(cè)流斷面、岸上控制點(diǎn)的位置及相應(yīng)坐標(biāo)等。按1∶500測(cè)繪地形圖，水下礁石的范圍、特征、高程，應(yīng)有測(cè)點(diǎn)，并標(biāo)記清楚。

2.2.2 使用方法。多普勒流量剖面儀使用過(guò)程，將多普勒剖面流速固定在河中可能有走底情況的垂線至少5min，用軟件記錄一個(gè)數(shù)據(jù)文件：船跡會(huì)顯示出從開(kāi)始點(diǎn)向上游方向移動(dòng)，顯示的“DMG”（直線距離）較大（表示有走底現(xiàn)象）。當(dāng)船跡沒(méi)有明顯向上游方向移動(dòng)時(shí)，顯示的“DMG”較小。

2.2.3 斷面流速分布測(cè)量。結(jié)合枯水期地形測(cè)量時(shí)進(jìn)行，測(cè)量時(shí)間為2015年枯水期。測(cè)流斷面為龍圩水道、內(nèi)江、洗馬灘、桂江4個(gè)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)流斷面位置應(yīng)盡可能同水流流向垂直，若不能做到和所有測(cè)點(diǎn)垂直，應(yīng)觀測(cè)斷面和水流間的流向角，并可視水流、岸線情況做適當(dāng)調(diào)整，確定后應(yīng)標(biāo)記位置和坐標(biāo)，河寬與地形圖一致。垂線布設(shè)和垂線點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)山區(qū)河流特點(diǎn)，參照水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范執(zhí)行，各斷面流量閉合誤差應(yīng)符合有關(guān)測(cè)量規(guī)范要求。

2.2.4 水位測(cè)量。水位測(cè)量包括長(zhǎng)期觀測(cè)的基本水位與臨時(shí)水尺。基本水尺設(shè)長(zhǎng)洲船閘系船墩水尺、龍圩航道站、二頂、梧州航道站、梧州水文站、界首灘尾等6處，均設(shè)有自動(dòng)水位儀；臨時(shí)水尺設(shè)3處，包括長(zhǎng)洲尾、梧州舊站、江口航道站。基本水尺從2015年1月開(kāi)始觀讀至2015年12月，每天在8∶00和16∶00觀測(cè)兩次；測(cè)流期間及測(cè)流前、后各一天，每小時(shí)觀讀一次，水位變化較快時(shí)相應(yīng)縮短至每半小時(shí)觀讀一次。長(zhǎng)洲樞紐三、四線船閘引航道以及淺灘、壩田等區(qū)域地形補(bǔ)測(cè)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行1次水位觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間24小時(shí)，每小時(shí)觀讀一次，水位變化較快時(shí)相應(yīng)縮短至每半小時(shí)觀讀一次。測(cè)流期間及測(cè)流前、后各一天，臨時(shí)水尺應(yīng)同步每小時(shí)觀讀一次，水位變化較快時(shí)相應(yīng)縮短至每半小時(shí)觀讀一次。對(duì)采用自動(dòng)水位儀觀測(cè)的水位應(yīng)定期進(jìn)行校核，參照水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范執(zhí)行，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 和旋杯式流量測(cè)量的比較

傳統(tǒng)旋杯式流量測(cè)量過(guò)程，和多普勒流量剖面儀測(cè)量過(guò)程有著大致相同的測(cè)量原理，通過(guò)在測(cè)流斷面上對(duì)多條垂線進(jìn)行布設(shè)，并測(cè)量水深，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)流速的測(cè)量工作。但是旋杯式流量測(cè)量過(guò)程，主要是一種靜態(tài)性的測(cè)量方法，流速儀僅僅在水中不同深度進(jìn)行實(shí)測(cè)，有著一定的難度。但是對(duì)于多普勒流量剖面儀測(cè)量過(guò)程，有著動(dòng)態(tài)性的測(cè)量方法，在持續(xù)性的測(cè)量環(huán)節(jié)，結(jié)合全斷面的測(cè)量應(yīng)用，實(shí)際移動(dòng)過(guò)程有著多條垂線布置，在深度點(diǎn)的流速值確定的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)深度點(diǎn)流速值的深測(cè)。關(guān)于傳統(tǒng)流速儀的測(cè)量環(huán)節(jié)，融合人員勞動(dòng)強(qiáng)度的分析，人員操作量較小，在短時(shí)間內(nèi)就可以計(jì)算水?dāng)嗝娴牧髁浚ぷ魅藛T勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低，工作人員的人數(shù)也是相對(duì)較小的。

3 測(cè)量結(jié)果

關(guān)于測(cè)量的分析，在5月和6月有著較小的系統(tǒng)誤差，主要是當(dāng)時(shí)的測(cè)驗(yàn)過(guò)程有著不成熟的測(cè)驗(yàn)過(guò)程，人為誤差相對(duì)較大。多普勒流速剖面儀測(cè)量環(huán)節(jié)，結(jié)合流速儀法的測(cè)量過(guò)程，和河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范大致相同，不僅提高了測(cè)量的精確性，同時(shí)測(cè)站人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也在逐漸的降低。常規(guī)流速儀的確定，融合內(nèi)陸河流域的水利工程性的測(cè)量需求。對(duì)于常規(guī)流速儀的測(cè)量，和水力工程測(cè)量需求相滿足。相對(duì)而言，傳統(tǒng)旋杯式流量測(cè)量?jī)x器測(cè)量過(guò)程僅僅有著靜態(tài)性的測(cè)流環(huán)節(jié)，同時(shí)垂線流量的測(cè)量過(guò)程，僅僅需要結(jié)合有限的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面流量的測(cè)量。對(duì)于多普勒流速剖面儀流量過(guò)程，有著精細(xì)化的子斷面的測(cè)量環(huán)節(jié)，同時(shí)數(shù)據(jù)量相對(duì)豐富，通過(guò)對(duì)河流流量進(jìn)行計(jì)算，并做好斷面流量剖面的測(cè)量過(guò)程。

4 遇到的問(wèn)題和解決對(duì)策

多普勒流速剖面儀流量過(guò)程，從近些年來(lái)的總結(jié)中顯示，不僅有硬件問(wèn)題，同時(shí)也有數(shù)據(jù)處理以及測(cè)驗(yàn)處理等相關(guān)的問(wèn)題。在選擇測(cè)船的時(shí)候，結(jié)合鐵磁質(zhì)測(cè)船的方法，在流速數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程，往往有著較大的誤差，這一問(wèn)題的解決需要應(yīng)用非鐵磁質(zhì)進(jìn)行測(cè)船，結(jié)合木船以及玻璃鋼船的形式進(jìn)行測(cè)量。選擇多普勒流速剖面儀流量的時(shí)候，保證有著最大的剖面深度，同時(shí)也要確定分層精度，盡可能地選擇600kH型號(hào)的多普勒流速剖面儀流量。關(guān)于多普勒流速剖面儀流量參數(shù)的設(shè)置，結(jié)合多普勒流速剖面儀流量盲區(qū)和深度單元尺寸，同時(shí)確定脈沖間隔時(shí)間，保證有著準(zhǔn)確性的測(cè)驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

因此，水文觀測(cè)中多普勒流量剖面儀的應(yīng)用，就要做好水體剖面的無(wú)干擾測(cè)量，降低測(cè)量工作的難度，應(yīng)用走航式的測(cè)量正確地計(jì)算流量，結(jié)合聲波的背向散射強(qiáng)度，對(duì)水體懸浮泥沙濃度進(jìn)行處理，尤其是復(fù)雜地形的確定，合理地選擇水文條件，確定測(cè)驗(yàn)的參數(shù)，準(zhǔn)確地計(jì)算參數(shù)，同時(shí)做好后續(xù)數(shù)據(jù)的有效性處理和應(yīng)用，并保證有著精確的精度要求，實(shí)現(xiàn)水文的有效性觀測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：楊劍鋒（1973-），男，廣西藤縣人，供職于廣西壯族自治區(qū)梧州航道管理局，研究方向：航道測(cè)量。

（責(zé)任編輯：小 燕）