探討含沙量對ADCP水流測驗的影響

廣州水文分局嘉禾蒸發實驗站 廣東廣州 510000

摘要：本文主要針對含沙量對ADCP水流測驗的影響展開了深入探討，結合了具體的實例，系統闡述了含沙量對ADCP的影響，并通過對ADCP的分析提出了相應的解決方法，以期能為有關方面的需要提供有益的參考借鑒。

關鍵詞：含沙量；ADCP；探討

所謂的ADCP，就是指聲學多普勒流速剖面儀，它是二十世紀80年代初發展起來的一種新型測流設備。ADCP具有能直接測出斷面的流速剖面、具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點，目前被廣泛用于海洋、河口的流場結構調查、流速和流量測驗等。但是，ADCP測流會受到含沙量的影響，而使測流結果與實測值產生較大誤差。因此，必須對含沙量的影響要有一定的重視，采取相應的方法進行解決，提高ADCP測流的準確性。

1 問題的提出

聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）已在流量測驗的各個方面取得廣泛應用。某水文站采用水平式聲學多普勒流速儀（H-ADCP）和走航式聲學多普勒流速剖面儀相結合的方法對河口區實現了潮流量實測及資料整編，某水文站在平原河網成功應用H-ADCP對流量進行實測，利用走航式ADCP測驗斷面流速流向分布。ADCP回波強度和含沙量具有明確的相關關系。ADCP是聲學原理儀器，一方面其必須依靠水中的顆粒物反射來計算頻移，要求水中有一定含量的顆粒物（主要指泥沙）；另一方面，水中顆粒物含量不能太高，太高會導致聲波被大量吸收而造成回波強度有效距離變短，達不到設計要求，從而影響斷面流量的計算。這種情形是客觀存在的，解決泥沙對ADCP的影響，能否通過后續處理降低影響，目前研究較少。

2 含沙量對H-ADCP測流有效距離的影響

H-ADCP是以固定發射聲波測量水體流速的儀器。通過測定水體中被懸浮物質（浮游生物和泥沙）反射回來的反向散射回波相位或頻率的變化，將回波轉化成沿聲學波束的速度分量，再根據剖面大小計算流量。聲吶方程（Urick，1975年）包含：聲傳播區、散射強度區、聲源電平和傳輸損失等。其中傳輸損失是到聲傳播區的距離和水體吸收系數的函數，包括因擴散和吸收導致的損失。在H-ADCP的應用中，由泥沙引起的傳輸損失較為顯著。

2.1 測流有效距離縮短的表現及對推流結果的影響

在泥沙含量較低和泥沙含量較高的情況下，H-ADCP測流有效距離的變化見圖1和圖2。圖1和圖2中，①號曲線是理論上H-ADCP發射聲波的回波強度隨距離的變化，②號和③號曲線分別是實測的H-ADCP的2個換能器所發射聲波的回波強度隨距離的變化。從圖1和圖2的對比可以看出，在泥沙含量較高的情況下，測流有效距離在35m附近時（見圖2虛豎線）回波強度的數值已衰減到50以下，不能被儀器識別，較其理想狀態下的120m（見圖1）大為縮短。

圖1 泥沙含量較低時回波強度隨距離的變化圖

圖2 泥沙含量較高時回波強度隨距離的變化圖

當H-ADCP不受泥沙影響時，回波有效距離可達到120m。以之江水文站H-ADCP實測數據來說明測流有效距離縮短對流量的影響。打開儀器的多剖面模式，為避開岸邊的紊流，將H-ADCP的盲區設置為5m，H-ADCP水平方向朝河心5～80m范圍內的流速作為指標流速。將所測5～80m范圍水域在水平方向進行平均劃分，共分成10個部分，每部分稱為1個流層，每個流層寬度為7.5m。

2.2 測流有效距離縮短發生時段分析

測流有效距離縮短主要發生在洪水的后半段、涌潮到來時等含沙量較高的時段。根據水質自動站數據，發現濁度和測流有效距離密切相關。當濁度值超過70NTU時，測流有效距離開始縮短；當濁度值達到94NTU時，測流有效距離縮短至70m；當濁度值達到116NTU時，測流有效距離縮短至60m。

3 解決方法

本文以某水文站H-ADCP流量實時在線監測系統為例，探討H-ADCP在含沙量較大、測流有效距離縮短情況下的解決方法。

3.1 水文站流量實時在線監測系統

水文站斷面寬度955m，在斷面的左右岸各安裝1臺H-ADCP。儀器選用的是頻率為500kHz的HADCP，儀器最大實測距離120m。

H-ADCP可連續監測所測量范圍內的流速。在HADCP連續監測的同時，使用走航式聲學多普勒流速儀開展全斷面流量測驗，全斷面流量測驗選取大、中、小典型潮時期進行。走航式聲學多普勒流速儀可測得斷面平均流速，然后取得H-ADCP在走航式聲學多普勒流速儀實測相應時段內所監測到的流速。以斷面平均流速為橫坐標，以H-ADCP所測相應時段流速為縱坐標，進行曲線擬合，所擬合出的曲線要求通過三性檢驗且隨機不確定度最小。

3.2 分段定線法

前文已描述泥沙對回波強度有效距離及推流數據的影響，為了彌補H-ADCP的不足，提出根據H-ADCP的回波強度有效距離分段定線，即定出5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80等6條曲線。具體做法為：打開H-ADCP的數據后處理軟件，將10個流層的流速數據導出到EXCEL表里，在擬定5～30m曲線時，選取10個流層的第1～4流層的平均流速作為指標流速，和同時段的斷面平均流速組成一組數據，這樣，不同流速級就有若干組數據，然后以斷面平均流速為橫坐標，以多流層平均流速作為指標流速擬定關系曲線。所定關系曲線示見圖3。

圖3 5～30m關系曲線示例圖

在5～40m曲線定線時，選取10個流層的第1～5流層的平均流速作為指標流速，依照擬定5～30m曲線的方法擬定出5～40m曲線，根據距離依次類推，直到將6條曲線全部定出，畫在同一圖上（見圖4）。第一象限內順時針開始分別是5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80m等6條曲線。

圖4 六條曲線示例圖

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