聲學(xué)多普勒流速剖面儀應(yīng)用淺析

呂文婷

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

聲學(xué)多普勒流速剖面儀應(yīng)用淺析

呂文婷

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

對(duì)聲學(xué)多普勒流速剖面儀在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了分析。通過(guò)在白山水庫(kù)采用走航式及定點(diǎn)測(cè)流(垂向代表線法)兩種方式，對(duì)白山水庫(kù)測(cè)流斷面進(jìn)行了流量測(cè)驗(yàn)、流速分布及流向測(cè)量。聲學(xué)多普勒流速剖面儀既適用于自由水面又適用于封凍期測(cè)量，最后對(duì)聲學(xué)多普勒流速剖面儀進(jìn)行了討論。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀;流量測(cè)驗(yàn);淺析

1 概述

靖宇核電水文站位于白山市靖宇縣崗頂村南側(cè)頭道松花江白山水庫(kù)左岸的臺(tái)地上，地理坐標(biāo)東經(jīng)127°05'，北緯42°04'。在該站斷面上采用250 KHz的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADP，下同)對(duì)核電水文站測(cè)流斷面進(jìn)行了流量測(cè)驗(yàn)及流速分布測(cè)量，分別采用了走航式及定點(diǎn)測(cè)流(垂向代表線法)兩種方式。

測(cè)船采用鐵殼船，為了去除鐵殼船對(duì)儀器羅盤的干擾，儀器通過(guò)支架伸出船舷1.0 m左右。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀技術(shù)指標(biāo)如下:

頻率 最大剖面 最小盲區(qū) 可選系統(tǒng)(KHz)深度(m)距離(m)250 180 1.5標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)500 100 1.0 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)1 000 40 0.5 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)1 500 25 0.4 標(biāo)準(zhǔn)、小型與河貓3 000 6 0.2 標(biāo)準(zhǔn)、小型與河貓

● 測(cè)量范圍:±10 m/s

● 分辨率:0.1 cm/s

● 準(zhǔn)確度:所測(cè)流速的 ±1%，±0.5 cm/s

測(cè)驗(yàn)執(zhí)行相關(guān)規(guī)范:《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(SL337－2006)

2 走航測(cè)量

為了獲取斷面的形狀，采用了走航式進(jìn)行斷面測(cè)量。

走航測(cè)量歷時(shí)40 min，船速平均約0.35 m/s。測(cè)時(shí)直線距離為814.35 m，加上兩岸估計(jì)距離，總河寬近900 m，與采用全站儀得到的892 m相符。測(cè)量過(guò)程中，與測(cè)深儀進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在80 m以內(nèi)，ADP得到的水深和測(cè)深儀得到的水深幾乎一致，而水深超過(guò)80 m時(shí)，測(cè)深儀無(wú)測(cè)量數(shù)據(jù)作為比較。只要測(cè)船的航行軌跡與測(cè)流斷面重合并沒(méi)有彎曲的情況下，采用走航式的方法對(duì)河道斷面形狀的測(cè)量，是可取的。

根據(jù)ADP的實(shí)測(cè)成果繪制的靖宇核電白山水文站大斷面示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 大斷面示意圖

與聲學(xué)多普勒流速剖面儀相適應(yīng)的ViewADP軟件具有比較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，也就是說(shuō)，在正確獲取的走航測(cè)量的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，ViewADP軟件可以對(duì)整個(gè)斷面的流場(chǎng)、流向、水平層流速、垂線流速分布給出直觀的反映。

3 定點(diǎn)測(cè)流(垂向代表線法)

定點(diǎn)測(cè)流的原理如下，其與傳統(tǒng)的多線法相同，不同的是使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADP)能測(cè)得整個(gè)垂線的流速分布和流向。需要指出的是ViewADP軟件對(duì)定點(diǎn)測(cè)流(垂向代表線法)特別對(duì)低流速測(cè)量、冰期測(cè)量、有底沙運(yùn)動(dòng)情況以及洪水期測(cè)量非常適用。

不可否認(rèn)，在流速很小，風(fēng)速很大，而水深限制了拋錨作業(yè)時(shí)，定點(diǎn)測(cè)流也有一定的困難。

(1)測(cè)驗(yàn)根據(jù)斷面形狀，測(cè)量首先選擇了15條，此后選擇了9條垂向代表線，基本控制了斷面的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(2)采用測(cè)流歷時(shí)300 s。

(3)定點(diǎn)測(cè)流共施測(cè)了兩次，從兩次測(cè)流的結(jié)果來(lái)看，第一次測(cè)量的水面寬為900 m，斷面面積為46 400 m2，流量為626 m3/s，斷面平均流速為1.35 cm/s。第二次測(cè)量的水面寬為892 m，斷面面積為46 730 m2，流量為633 m3/s，斷面平均流速為1.35 cm/s。兩次測(cè)量的誤差較小。走航測(cè)流中得到的斷面面積為45 567 m2。

(4)應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于大范圍的靜止水體，流速往往存在紊動(dòng)現(xiàn)象，而且這種紊動(dòng)往往是大空間尺度和時(shí)間尺度的。這次測(cè)流的結(jié)果也印證了這一現(xiàn)象。如此的水深和低流速，難免會(huì)造成非常大的紊流和流速的不確定度。解決的辦法是適當(dāng)加長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間(我們采用了300 s)，或者拋錨，但是由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，測(cè)量不具備過(guò)多加長(zhǎng)測(cè)驗(yàn)時(shí)間的條件(主要是船在風(fēng)力影響下的漂移)。

(5)定點(diǎn)測(cè)流成果如計(jì)算機(jī)界面所直觀顯示，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 流速－流向－深度分布圖

(6)采用垂向代表線法測(cè)量，從測(cè)流結(jié)果來(lái)看，斷面流速分布存在一定規(guī)律性，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)逆流，個(gè)別區(qū)域流速會(huì)較大，這與大面積靜止水體的流速分布及變化規(guī)律相符。

4 結(jié)論

(1)從多次測(cè)量的結(jié)果分析出，走航方式獲得的斷面形狀與實(shí)際基本相符。但在流速測(cè)量、流量測(cè)量以及流場(chǎng)分布的測(cè)量上，其測(cè)量誤差難以滿足測(cè)量要求。

圖3 流量－深度－面積分布圖

(2)由于該斷面水體面積很大，而流速很小，屬于相對(duì)靜止的水體。這類水體的紊動(dòng)特性比較強(qiáng)，很容易受溫度、風(fēng)、來(lái)水等的干擾而發(fā)生流速變化，而且紊動(dòng)時(shí)的空間尺度和時(shí)間尺度都比較大，上下層、左右岸的流速甚至相反，因此定點(diǎn)測(cè)流是獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的保證。

(3)對(duì)于靖宇核電水文站斷面的測(cè)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，采用最佳的聲學(xué)多普勒流速剖面儀的頻率為500 KHz比較適宜，儀器采用定點(diǎn)測(cè)流的方式;儀器最大深度滿足白山水庫(kù)庫(kù)區(qū)實(shí)況，又包含了漲落變化，測(cè)量方法既適用于自由水面又適用于封凍期測(cè)量。

(4)在測(cè)驗(yàn)中，水面下大約25 m處聲波信號(hào)有明顯變化，原因是藻類或者異重流、或者溫度躍層，這需要借助水質(zhì)儀器確定和核實(shí)。

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1004－1184(2011)06－0158－02

2011－09－27

呂文婷(1969－)，女，吉林通化人，助理工程師，主要從事水文與水資源管理工作。