聲學多普勒測速在灌區渠道量水中的應用

□田玉昆

（新鄉市生態保護局輝縣分局）

0 概述

目前，超聲波流速儀、激光流速儀和粒子圖像測速系統也已應用到了灌區渠道水流速測量中。但有的測速裝置一是價格昂貴，二是要專業的人員操作等，限制了在一些灌區中推廣應用。廈門博意達科技有限公司生產的LSH10-1A、HXH03-1型超聲波多普勒流速儀的工作原理是聲學“多普勒效應”，在河渠流速測量中限制條件少、應用范圍廣，能精確地反映出各種水流的形態、強弱的水流流速。特別是裝置沒有傳統轉子測速儀中的轉動部件，充分體現了在河流或渠道工作時不破壞、不干擾河水流流場的優點，具有抗干擾能力強和靈敏度高的特點。新型超聲波多普勒流速儀能準確和快速地測量河道水文和現代化灌區渠道水流等重要參數，為灌區水利用系數和灌區的量水工作提供了一種新的測流裝置和方法。

1 傳統流速儀與超聲波多普勒流速儀對比

河道和渠道水體中常常會有一些漂浮物和水生物，當使用常規的轉子測速儀測量流速時，這些水草漂浮物會纏繞住測速儀的轉動軸，使所測得的流速數據嚴重失真，甚至使轉動軸停止工作。在實際的流速測量時，理想狀態是不破壞河道或渠道中水流的自然流態，但旋槳式流速儀在測量流速時會對自然水流的流態形成干擾和破壞，對測量的流速數據產生一定的影響。聲學多普勒原理測量流速等水文參數精度高，在河渠流速測量中限制條件少、應用范圍廣，能精確地反映出各種水流的形態、強弱的水流流速。特別是裝置沒有傳統轉子測速儀中的轉動部件，充分體現了在河流或渠道工作時不破壞、不干擾河水流的流場的優點，而且不受渠道水中漂浮物的影響。超聲波多普勒流速儀沒有啟動流速要求、分辨率高、感應靈敏，與傳統流速儀比較，能更好地解決在水體中泥沙堵塞，水草、雜物纏繞等問題。

2 灌區渠道流速測量

多普勒流速儀在實際使用中，無論水流強弱都能精確地反映出水流的流速；可測瞬時流速，也可測平均流速。但在渠道測速實際應用中，除了有高精度的儀器外，還應注意如下幾個方面。

2.1 選擇合適的測流斷面

要求選擇測流的河流或渠道斷面相對穩定，水流無紊流、回流現象，在水流穩定的地方作為渠道測段，水流方向應與斷面垂直，沖淤變化小，測流的渠道斷面應避開閘、橋等影響水流的建筑物。

測流斷面應選擇在渠段平直、水流均勻，測流斷面相對穩定，避開閘口、支渠口、彎道、揚水站或斷面變化較大等干擾水流的測段。

2.2 平均流速的測定

渠道斷面流速測量可根據需要選擇一點或多點進行測量，當需要進行渠道流速多點測量時，可通過求平均值的方法得到渠道水流的平均流速。幾種流速的測定方法見表1。

表1 幾種流速的測定方法表

2.3 流速比測

為了驗證多普勒流速儀在灌區渠道流速測量的實際效果，選擇了不同渠道斷面1 和渠道斷面2 分別進行了渠道流速測量，并與傳統的流速儀進行流速比測。測流渠段和測流斷面的選擇按文中所述的原則。

在進行渠道流速測量時，盡管每次測量的位置和測量時長相同，但測量的流速值也不會完全一致，原因是渠道中的水流不是穩定的均勻流，所以在進行渠道水流流速測量時，流速的測量時間應≥30 s，同時適當增加流速的測定次數并取其平均值，該平均值與流速實測值的相對誤差滿足聲學多普勒流量測驗規范SL337-2006 的誤差要求，表2 為測流斷面處利用多普勒流速儀和傳統流速儀比測的部分流速數據。

流速實測值與流速平均值之間的相對誤差按式（1）計算：

表2 可以看出，測試的斷面1 和斷面2 的平均流速的相對誤差值均＜5%，在相關規范對流速測量的誤差規定范圍內。在渠道斷面的形式上，有研究者進行了比測并得出了結論，聲學多普勒流速儀適用于寬水面的渠道測速，不適用于窄深渠道斷面的流量測量。因為在矩形渠道斷面較窄、邊緣流速較大的情況下使用聲學多普勒剖面流速儀測流會產生較大誤差。對于窄深渠道斷面，在相對固定流速測定位置的情況下，也可以通過流速比測結果，設定調整系數來解決，擴大聲學多普勒流速儀的使用范圍。一般來說，只要介質不使回波信號強度弱到接收探測器的閾值之下，并且不干擾頻率，儀器的測量精度就有保證。

3 應用前景分析

聲學多普勒流速儀測流在提高了測流的精度和效率的同時，也減少了測量人員的工作強度，應用前景廣闊。多普勒流速儀在實際使用中需要操作人員少，測量時間短，數據獲取自動化程度高。聲學多普勒流速儀給大范圍、動態測量提供了條件。除了獲得水體空間三維流場數據外，還可以計算流量及懸沙濃度等資料。

隨著科學技術的發展，聲學多普勒流速測量技術在水利領域方面也在不斷地更新和完善，實現水管理信息化、自動化和智能化。

4 結語

河流和渠道中測量流速流量時，雖然傳統的測流裝置和方法也可滿足使用，但水體中漂浮物會對傳統的轉子流速儀的測量結果產生較大影響，不能實現實時監測，費工費時，效率低。LSH10-1A、HXH03-1型超聲波多普勒流速儀在河渠流速測量中限制條件少、應用范圍廣，在河流或渠道工作時不破壞、不干擾河水流的流場，能精確地反映出各種水流的形態、強弱的水流流速，快速地測量河道水文和和現代化灌區渠道水流等重要參數，抗干擾能力強和靈敏度高的特點，應用領域廣泛。