河流聲學(xué)多普勒測流方法

朱洪戩+趙博然

摘要：利用聲學(xué)多普勒原理測量河流的流速是一種高精度測流方法。與傳統(tǒng)的測流方法相比，多普勒測流具有測量精確度好、分辨率高、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜河流的流速、流量測量。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)多普勒測流；原理；方法

中圖分類號(hào)：P335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-0432（2014）-01-60-1

河流聲學(xué)多普勒測流于20世紀(jì)90年代引入我國，廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、水利等許多領(lǐng)域。聲學(xué)多普勒測流利用聲學(xué)多普勒原理測量水流剖面的流速，與傳統(tǒng)的測流方法相比，具有測量精度好、時(shí)間短、分辨率高、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜河流的流速、流量的測量[1]。

1測量原理與方法

聲學(xué)多普勒測流假定水體流速與水體中顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度相同，利用多普勒頻移測量水流流速。標(biāo)準(zhǔn)的多普勒測流配有4個(gè)換能器。換能器的作用，一是向水體中發(fā)射聲波，二是接收被水體反射回來的聲波。當(dāng)河流中的顆粒物運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器接收的反射頻率比發(fā)射頻率高；當(dāng)河流中的顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向遠(yuǎn)離換能器時(shí)，換能器接收的反射頻率比發(fā)射頻率低。這種回波頻率與發(fā)射頻率之間的差值，即為多

普勒頻移[2-3]。

2.1相同之處

按照《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求[4]，傳統(tǒng)測流與多普勒測流在測量方法與基本原理上有相同之處，它們都需要設(shè)置測速垂線，每條測速垂線上都要測量河流水深，并且要測量不同水深點(diǎn)的流速，依據(jù)不同水深點(diǎn)的流速計(jì)算該垂線上的平均流速。

2.2不同之處

傳統(tǒng)測流是將流速儀固定在水中不同深度逐點(diǎn)測量。多普勒測流是在測船移動(dòng)時(shí)，對(duì)不同深度點(diǎn)不間斷地連續(xù)動(dòng)態(tài)測量。傳統(tǒng)測流時(shí)的垂線條數(shù)受自然條件的制約，一個(gè)河流斷面只能設(shè)置數(shù)個(gè)垂線，每條垂線上也只能測量數(shù)個(gè)不同深度的流速。多普勒測流理論上可以測量無數(shù)條垂線及無數(shù)個(gè)深度的流速。傳統(tǒng)測流的測量斷面必須垂直于河岸，多普勒測流可以隨機(jī)的沿斜線或曲線測量。傳統(tǒng)測流要在風(fēng)平浪靜時(shí)測量，多普勒測流則只要根據(jù)羅盤和傾斜計(jì)指示，使X-Y-Z坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)方向一致即可施測。傳統(tǒng)測流量程有限，而多普勒測流的測深可達(dá)180米。

2.3優(yōu)點(diǎn)

多普勒測流的優(yōu)點(diǎn)在于：可以對(duì)測量斷面進(jìn)行準(zhǔn)同步測量，測量速度快；可以進(jìn)行三維流速、流向測量；可以自動(dòng)鑒別測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，自動(dòng)消除環(huán)境因素的影響；聲波傳感器適合各種測量環(huán)境，不干擾水流；可以為河流輸沙率計(jì)算測量懸浮物濃度；可以測量河底卵石間的過隙流量。

2.4缺點(diǎn)

多普勒測流的缺點(diǎn)在于：多普勒測流的測量成果需要通過兩次測量的平均值來確定；在河流流速大河底走沙時(shí)，測量結(jié)果可能失真；高含沙量河流聲波回波強(qiáng)度衰變化快，可能導(dǎo)致無法測流。

3誤差分析

研究人員為了進(jìn)行多普勒測流的可靠性及誤差分析，采用多普勒測流儀進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：誤差均在允許的范圍內(nèi)。試驗(yàn)的自測變差系數(shù)在0.7%～0.9%之間，與傳統(tǒng)測流相比相差2.3%～4.5%，試驗(yàn)結(jié)果符合《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求。

試驗(yàn)證明，作業(yè)船速是影響測量精度的重要原因，測量誤差與測船船速成反比關(guān)系。測流時(shí)應(yīng)根據(jù)河水流速，適當(dāng)降低測船船速以保障測流精度。此外，河水的含沙量也是影響流量測驗(yàn)精度客觀因素。

4結(jié)語

多普勒測流速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高，適應(yīng)于在自然環(huán)境復(fù)雜、流量大、寬斷面的河流進(jìn)行測流作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2]高菲，周根富，姜志成，等.ADCP技術(shù)在河流流量測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].江蘇水利，2011，161（1）：27-29.

[3]王憲寶，柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測驗(yàn)對(duì)比分析[J].吉林水利，2010，337（6）：81-83.

[4]中華人民共和國水利部.SL337-2006聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

作者簡介：朱洪戩，本科學(xué)歷，吉林省防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)，研究方向：水利防汛技術(shù)。endprint

摘要：利用聲學(xué)多普勒原理測量河流的流速是一種高精度測流方法。與傳統(tǒng)的測流方法相比，多普勒測流具有測量精確度好、分辨率高、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜河流的流速、流量測量。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)多普勒測流；原理；方法

中圖分類號(hào)：P335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-0432（2014）-01-60-1

河流聲學(xué)多普勒測流于20世紀(jì)90年代引入我國，廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、水利等許多領(lǐng)域。聲學(xué)多普勒測流利用聲學(xué)多普勒原理測量水流剖面的流速，與傳統(tǒng)的測流方法相比，具有測量精度好、時(shí)間短、分辨率高、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜河流的流速、流量的測量[1]。

1測量原理與方法

聲學(xué)多普勒測流假定水體流速與水體中顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度相同，利用多普勒頻移測量水流流速。標(biāo)準(zhǔn)的多普勒測流配有4個(gè)換能器。換能器的作用，一是向水體中發(fā)射聲波，二是接收被水體反射回來的聲波。當(dāng)河流中的顆粒物運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器接收的反射頻率比發(fā)射頻率高；當(dāng)河流中的顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向遠(yuǎn)離換能器時(shí)，換能器接收的反射頻率比發(fā)射頻率低。這種回波頻率與發(fā)射頻率之間的差值，即為多

普勒頻移[2-3]。

2.1相同之處

按照《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求[4]，傳統(tǒng)測流與多普勒測流在測量方法與基本原理上有相同之處，它們都需要設(shè)置測速垂線，每條測速垂線上都要測量河流水深，并且要測量不同水深點(diǎn)的流速，依據(jù)不同水深點(diǎn)的流速計(jì)算該垂線上的平均流速。

2.2不同之處

傳統(tǒng)測流是將流速儀固定在水中不同深度逐點(diǎn)測量。多普勒測流是在測船移動(dòng)時(shí)，對(duì)不同深度點(diǎn)不間斷地連續(xù)動(dòng)態(tài)測量。傳統(tǒng)測流時(shí)的垂線條數(shù)受自然條件的制約，一個(gè)河流斷面只能設(shè)置數(shù)個(gè)垂線，每條垂線上也只能測量數(shù)個(gè)不同深度的流速。多普勒測流理論上可以測量無數(shù)條垂線及無數(shù)個(gè)深度的流速。傳統(tǒng)測流的測量斷面必須垂直于河岸，多普勒測流可以隨機(jī)的沿斜線或曲線測量。傳統(tǒng)測流要在風(fēng)平浪靜時(shí)測量，多普勒測流則只要根據(jù)羅盤和傾斜計(jì)指示，使X-Y-Z坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)方向一致即可施測。傳統(tǒng)測流量程有限，而多普勒測流的測深可達(dá)180米。

2.3優(yōu)點(diǎn)

多普勒測流的優(yōu)點(diǎn)在于：可以對(duì)測量斷面進(jìn)行準(zhǔn)同步測量，測量速度快；可以進(jìn)行三維流速、流向測量；可以自動(dòng)鑒別測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，自動(dòng)消除環(huán)境因素的影響；聲波傳感器適合各種測量環(huán)境，不干擾水流；可以為河流輸沙率計(jì)算測量懸浮物濃度；可以測量河底卵石間的過隙流量。

2.4缺點(diǎn)

多普勒測流的缺點(diǎn)在于：多普勒測流的測量成果需要通過兩次測量的平均值來確定；在河流流速大河底走沙時(shí)，測量結(jié)果可能失真；高含沙量河流聲波回波強(qiáng)度衰變化快，可能導(dǎo)致無法測流。

3誤差分析

研究人員為了進(jìn)行多普勒測流的可靠性及誤差分析，采用多普勒測流儀進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：誤差均在允許的范圍內(nèi)。試驗(yàn)的自測變差系數(shù)在0.7%～0.9%之間，與傳統(tǒng)測流相比相差2.3%～4.5%，試驗(yàn)結(jié)果符合《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求。

試驗(yàn)證明，作業(yè)船速是影響測量精度的重要原因，測量誤差與測船船速成反比關(guān)系。測流時(shí)應(yīng)根據(jù)河水流速，適當(dāng)降低測船船速以保障測流精度。此外，河水的含沙量也是影響流量測驗(yàn)精度客觀因素。

4結(jié)語

多普勒測流速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高，適應(yīng)于在自然環(huán)境復(fù)雜、流量大、寬斷面的河流進(jìn)行測流作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2]高菲，周根富，姜志成，等.ADCP技術(shù)在河流流量測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].江蘇水利，2011，161（1）：27-29.

[3]王憲寶，柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測驗(yàn)對(duì)比分析[J].吉林水利，2010，337（6）：81-83.

[4]中華人民共和國水利部.SL337-2006聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

作者簡介：朱洪戩，本科學(xué)歷，吉林省防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)，研究方向：水利防汛技術(shù)。endprint

摘要：利用聲學(xué)多普勒原理測量河流的流速是一種高精度測流方法。與傳統(tǒng)的測流方法相比，多普勒測流具有測量精確度好、分辨率高、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜河流的流速、流量測量。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)多普勒測流；原理；方法

中圖分類號(hào)：P335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-0432（2014）-01-60-1

河流聲學(xué)多普勒測流于20世紀(jì)90年代引入我國，廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、水利等許多領(lǐng)域。聲學(xué)多普勒測流利用聲學(xué)多普勒原理測量水流剖面的流速，與傳統(tǒng)的測流方法相比，具有測量精度好、時(shí)間短、分辨率高、資料完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜河流的流速、流量的測量[1]。

1測量原理與方法

聲學(xué)多普勒測流假定水體流速與水體中顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度相同，利用多普勒頻移測量水流流速。標(biāo)準(zhǔn)的多普勒測流配有4個(gè)換能器。換能器的作用，一是向水體中發(fā)射聲波，二是接收被水體反射回來的聲波。當(dāng)河流中的顆粒物運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器接收的反射頻率比發(fā)射頻率高；當(dāng)河流中的顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向遠(yuǎn)離換能器時(shí)，換能器接收的反射頻率比發(fā)射頻率低。這種回波頻率與發(fā)射頻率之間的差值，即為多

普勒頻移[2-3]。

2.1相同之處

按照《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求[4]，傳統(tǒng)測流與多普勒測流在測量方法與基本原理上有相同之處，它們都需要設(shè)置測速垂線，每條測速垂線上都要測量河流水深，并且要測量不同水深點(diǎn)的流速，依據(jù)不同水深點(diǎn)的流速計(jì)算該垂線上的平均流速。

2.2不同之處

傳統(tǒng)測流是將流速儀固定在水中不同深度逐點(diǎn)測量。多普勒測流是在測船移動(dòng)時(shí)，對(duì)不同深度點(diǎn)不間斷地連續(xù)動(dòng)態(tài)測量。傳統(tǒng)測流時(shí)的垂線條數(shù)受自然條件的制約，一個(gè)河流斷面只能設(shè)置數(shù)個(gè)垂線，每條垂線上也只能測量數(shù)個(gè)不同深度的流速。多普勒測流理論上可以測量無數(shù)條垂線及無數(shù)個(gè)深度的流速。傳統(tǒng)測流的測量斷面必須垂直于河岸，多普勒測流可以隨機(jī)的沿斜線或曲線測量。傳統(tǒng)測流要在風(fēng)平浪靜時(shí)測量，多普勒測流則只要根據(jù)羅盤和傾斜計(jì)指示，使X-Y-Z坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)方向一致即可施測。傳統(tǒng)測流量程有限，而多普勒測流的測深可達(dá)180米。

2.3優(yōu)點(diǎn)

多普勒測流的優(yōu)點(diǎn)在于：可以對(duì)測量斷面進(jìn)行準(zhǔn)同步測量，測量速度快；可以進(jìn)行三維流速、流向測量；可以自動(dòng)鑒別測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，自動(dòng)消除環(huán)境因素的影響；聲波傳感器適合各種測量環(huán)境，不干擾水流；可以為河流輸沙率計(jì)算測量懸浮物濃度；可以測量河底卵石間的過隙流量。

2.4缺點(diǎn)

多普勒測流的缺點(diǎn)在于：多普勒測流的測量成果需要通過兩次測量的平均值來確定；在河流流速大河底走沙時(shí)，測量結(jié)果可能失真；高含沙量河流聲波回波強(qiáng)度衰變化快，可能導(dǎo)致無法測流。

3誤差分析

研究人員為了進(jìn)行多普勒測流的可靠性及誤差分析，采用多普勒測流儀進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：誤差均在允許的范圍內(nèi)。試驗(yàn)的自測變差系數(shù)在0.7%～0.9%之間，與傳統(tǒng)測流相比相差2.3%～4.5%，試驗(yàn)結(jié)果符合《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求。

試驗(yàn)證明，作業(yè)船速是影響測量精度的重要原因，測量誤差與測船船速成反比關(guān)系。測流時(shí)應(yīng)根據(jù)河水流速，適當(dāng)降低測船船速以保障測流精度。此外，河水的含沙量也是影響流量測驗(yàn)精度客觀因素。

4結(jié)語

多普勒測流速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高，適應(yīng)于在自然環(huán)境復(fù)雜、流量大、寬斷面的河流進(jìn)行測流作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2]高菲，周根富，姜志成，等.ADCP技術(shù)在河流流量測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].江蘇水利，2011，161（1）：27-29.

[3]王憲寶，柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測驗(yàn)對(duì)比分析[J].吉林水利，2010，337（6）：81-83.

[4]中華人民共和國水利部.SL337-2006聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

作者簡介：朱洪戩，本科學(xué)歷，吉林省防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)，研究方向：水利防汛技術(shù)。endprint