ADV超聲波多普勒流量計在陳橋水文站的應用研究

林培勇LIN Pei-yong

（廣東省水文局潮州水文測報中心，潮州 521000）

1 基本概況

1.1 水文站基本概況

陳橋水文站位于廣東省潮州市湘橋區鳳新街道陳橋村（位置示意圖見圖1），建于2002年，是北關引韓的控制站，韓江流域的二類基本水文站，該站常規測驗項目有水位、流量。北關引韓是在韓江北關段竹竿山坡腳引入韓江水，主要為潮州市湘橋區、潮州市潮安區、揭陽市揭東區提供部分飲用和農田灌溉及工業用水服務。

圖1 陳橋水文站位置示意圖

1.2 所用的常規測流方法

陳橋水文站常規測流是采用人工拖拉搭載SonTek M9（以下簡稱M9）的三體船于基上35m流速儀測流斷面處進行測流，并通過臨時曲線法進行定線推流。由于受上游北關引韓調控和下游渠道分流共同影響，水位流量關系非常紊亂。為保證資料的準確性和可靠性、提高測驗效率，陳橋水文站引進了福建澳泰公司的ADV超聲波多普勒流量計（以下簡稱：ADV流量計）進行安裝并試用研究。

2 ADV流量計測流原理

所謂聲學多普勒效應[1]，是指：聲源和觀察者發生相對運動時，觀察者所接收到的聲音頻率將與聲源初始所發出的頻率不一樣。這個由于物體的相對運動而產生的頻率差異，正比于兩物體的相對運動速度。ADV超聲波多普勒流量計的測量原理主要依賴于物理學中的聲學多普勒效應。

ADV超聲波多普勒流量計運用超聲波多普勒效應進行流量測量時，超聲波發射器不斷發射固定頻率的聲源，流體中的固體顆粒起了與聲源產生相對運動，超聲波經過固體顆粒反射回接收器上。發射器發射的聲波與經固體顆粒反射后的聲波之間存在頻率差異，這個差異被稱為聲波的多普勒頻移，與流體流速成正比關系。所以，如果測量得到這個頻率差異，則可求得被測流體對應的流速，進一步推算得到流體的流量。

而運用超聲波多普勒流量計測量流體流速的一個前提條件是：應有一定數量能反射聲波的固體粒子或氣泡等兩相介質存在于被測流體介質中，這種介質被稱為兩相流流體。而現實生活中，自然界中的大多數流體都是兩相流流體，這使得超聲波多普勒流量計成為了一種極具發展和應用前景的測流方法和設備，正日益得到推廣和使用。

根據聲學多普勒頻移方程，固體顆粒和聲源的相對運動而產生的聲波多普勒頻移的大小：

式中：

ΔFd——多普勒頻移動；

F0——發射超聲波頻率；

C——水中聲速；

V——水的流速；

θ——相對于河水流向的發射波束和接收波束的夾角。

式（1）可進一步簡化為：

式中，當超聲波發射頻率固定時，其值為常數，而換能器安裝后其夾角固定不變，即K也為常數。代入式（3）可得，流速V和多普勒頻移ΔFd、水的聲速C成正比。當測得多普勒頻移ΔFd和水的聲速C時，即可通過公式計算出被測流體相應的流速V。在本儀器中，C由溫度值換算得來。

3 測驗內容及方法

3.1 水位比測

ADV流量計安裝地點在陳橋水文站基本水尺斷面下游5m的斷面處，水面不存在縱比降，ADV水位和陳橋站基本水尺斷面水位存在較小的差值。水位比測是將ADV流量計水位和陳橋站召測水位兩者進行比較。

3.2 流量比測

根據不同水流特性，選擇合適時機在基上35m斷面采用人工拖拉三體船載SonTek M9（以下簡稱M9）進行流量測驗。M9一般采用兩個測回的均值作為全斷面流量，根據《聲學多普勒流量測驗規范》，出現特殊水情（比如水位漲落變化快、流速較小閉合困難等）時，也可采用一個測回的實測流量平均值[2]作為全斷面流量。流量比測次數按不同水位和流速級均勻分布且不少于30測次。

4 比測率定分析

4.1 水位比測分析

本次選擇了陳橋水文站2022年1～9月不同水流條件下的時段進行水位比測分析，以陳橋站召測水位記錄為準，與ADV水位記錄比對。

從對比結果可以看出，2022年1～9月ADV水位與陳橋站基本水尺水位差值，水位絕對差在±2cm以內的有295組，占97.4%，僅有8組數據差值為3cm，占2.6%。這說明在平水期，陳橋站召測水位、ADV水位相差不大。

總的來說，ADV流量計水位采集精度較高，水位偏差均在±2cm之間。除個別偶然因素導致出現個別錯誤數據之外，整體上ADV水位數據變化較為穩定且連續。因此，在使用ADV流量計進行數據分析時，可使用召測水位計記錄的水位數據。陳橋站召測水位與ADV水位對比成果詳見表1。

表1 陳橋站召測水位與ADV水位對比表

4.2 流速率定分析

本次率定測驗，共收集了2022年1月～2022年9月30個測次的斷面實測流量數據與相應ADV流量計數據，其率定水位變化范圍為7.72～8.67m，實測流量變化范圍為0.91～10.3m3/s，斷面平均流速變化范圍為0.18～0.67m/s，換算成對應相近時間的代表流速（以下簡稱代）的變化范圍為0.16～0.68m/s。作出斷面平均流速V平均與ADV瞬時代表流速V代表兩者相關關系圖如圖2。

圖2 代表流速與斷面平均流速關系曲線圖

由圖2可知ADV瞬時代表流速V代表與斷面平均流速V平均的相關關系式為：

式中：x——代表流速，m/s；y——斷面平均流速，m/s；其中數據復相關系數R2=0.9801，說明ADV瞬時代表流速V代表與斷面平均流速V平均兩組數據有較好的相關關系。

4.3 關系曲線檢驗

對上述代表流速和斷面平均流速關系曲線（簡稱：代～斷流速關系曲線）進行3種檢驗分析，具體結果見表2。根據《水文資料整編規范》（SL 247—2012）的規定[3]，計算得到代～斷流速關系測點的標準差Se為3.1%，隨機誤差為6.2%≤8%，系統誤差為0.19%≤±1%，均達到規范規定的精度要求。由表2可以看出，3種方法對代～斷流速關系曲線的檢驗均在臨界值范圍內，檢驗合格，達到規范要求，定線正確。

表2 代～斷流速關系曲線3種檢驗結果統計

5 流量合理性分析

5.1 實測流量對比分析

對參與率定30個測次的斷面實測流量數據與相應ADV流量計數據進行對比分析，對比結果見表3和圖3。

由表3和圖3可得，通過代表流速與斷面平均流速之間的關系計算得到的ADV流量與M9實測流量相差不大。其中，偏差最小為0%，最大為1.82%，相對誤差均小于或等于±2%的。這說明代表流速和斷面平均流速的率定關系可靠，率定結果比較合理。

圖3 ADV流量與M9實測流量對比圖

表3 ADV流量與M9實測流量對比表

5.2 月平均流量對比分析

選取2022年1～9月ADV流量計月平均流量與陳橋站整編推流成果（通過臨時曲線法推流所得）進行對比分析，月平均流量誤差對比見表4。由表4可得，采用常規推流與采用ADV流量計推算月平均流量相對誤差小于±2%的比例為100%；其中，最大相對偏差-1.40%，最小相對偏差0.39%。可見，ADV流量計與常規推流計算出的月平均流量成果吻合較好。

表4 陳橋站ADV流量計與實測資料月平均流量對比表

6 結論

①通過本次分析可得，ADV流量計是一種先進的聲學多普勒測流設備，它具有日常運行成本低、快捷、實時、準確的優點，并且適用于不同工況和不同水流條件下的流量測驗工作。陳橋水文站水位～流量關系一直飽受水利工程影響，ADV在線測流系統的引進與使用，將有望有效解決流量測驗的各項難題，減輕測驗工作量和人力物力的投入，為水文預報和測驗工作提供更為有效可靠的技術手段。

②將ADV系統的水位、流速、流量等數據應用于水文資料整編，有效減少了資料二次錄入的錯誤率，并進一步提高資料整編質量和工作效率。

③ADV流量計水位采集精度比較高，差值基本在±2cm之間浮動。但在上下游水閘調控期間，由于受水流脈動、水位漲落變化和漂浮物影響顯著，水位觀測誤差明顯增大，按照已有數據分析，水位誤差差值一般都在2～3cm之間。

④代表流速在0.16～0.68m/s時，代表流速和斷面平均流速復相關系數為0.9801，具有較好的相關關系。代～斷流速關系測點標準差Se、系統誤差、隨機誤差分別為3.1%、0.19%和6.2%，均達到規范規定的精度要求，且代～斷流速關系通過三線檢驗，故所率定關系比較可靠。

⑤通過流量對比分析，陳橋基上35m斷面實測流量與ADV計算流量相對誤差較小，基本維持在±2%之內；周期較大的月平均流量相對誤差則較小；對比結果認為，ADV測流系統可以應用在日常的流量測驗工作中。