走航式ADCP在三河閘流量測驗中的應(yīng)用

霍中元

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤223126)

三河閘推算流量是用實測流量與相應(yīng)水位的資料建立水位流量關(guān)系，然后用連續(xù)的水位觀測資料通過這個關(guān)系推算流量的變化過程和特征值。流量測驗的次數(shù)及在高低水位間的測次分配，要滿足確定水位流量關(guān)系的需要。2004年三河閘水文站引進了1 臺走航式ADCP，只要從河流某斷面一側(cè)行至另一側(cè)，就能在短時間內(nèi)精確測定出河道流量，比傳統(tǒng)的流速儀等方法提高效率幾十倍。

1 ADCP 的工作基本原理

ADCP 主要由ADCP 換能器、操作軟件系統(tǒng)、計算機及連接設(shè)備等3個主要部分組成。它是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)和流速、多普勒頻移與聲速成正比的原理，通過儀器的換能器向流體中發(fā)射一定頻率的超聲波短脈沖，再測量隨流體運動的懸浮粒子所反射聲波的多普勒頻移來確定被測流體的速度。至于所測斷面的流量，則是通過相關(guān)軟件采用流速面積法同步計算而求得的［1］。

2 ADCP 流量測驗的特點

2.1 較傳統(tǒng)流速儀測量的優(yōu)點

1)任意路徑:走航ADCP 測量的流量船只可以任意曲線穿越河流，而不必像流速儀在固定的測流斷面上以固定的測速垂線施測流速。

2)快速、經(jīng)濟:ADCP 以任意路徑橫渡河流后，立即給出河流流量;而流速儀測流則很慢，且人工數(shù)記信號與計算很容易出錯。

3)精確可靠:一般河流的水流都不是穩(wěn)定流，尤其是感潮河流、受區(qū)間來水影響或變動回水影響的河流，流速儀法測流必然起點與終點時距很大，水情在這段時距內(nèi)可能已發(fā)生很大的變化，因此測得的流量是不太精確的。而ADCP 因為時距短，其流量值更可靠。

4)準(zhǔn)確度高:ADCP 所測流速是三維的，而流速儀法所測流速是絕對值，沒有方向。ADCP 測流時可將水柱分成若干層(最多可達(dá)128 層)，每一層即相當(dāng)于1個流速儀測點，每一組脈沖即相當(dāng)于1 根測速垂線，其精度是流速儀無法比擬的，因此，ADCP 所測流量的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于流速儀法［2］。

5)ADCP 測流系統(tǒng)安裝及軟件操作都十分簡便。

6)ADCP 測流系統(tǒng)適應(yīng)性較好，可靠性較高，故障率較低。

2.2 ADCP 測流系統(tǒng)的局限性

1)ADCP 測流系統(tǒng)本身的局限性:諸如流速量程、流速剖面深度量程、水溫限制、傾斜度限制、水中散射體限制、分層數(shù)限制等。

2)被測水體的干擾:諸如風(fēng)浪過大、水中散射體太少或懸浮物太多，ADCP 都無法適應(yīng)。

3)“活動河底”的影響:在這種情況下，底跟蹤測得的船速發(fā)生錯誤，導(dǎo)致水流速度相應(yīng)出錯。

4)河底沉積物較厚的情況下可能丟失底跟蹤信號。

5)對測船的要求:①速度方面，若河床深度陡變，則測船應(yīng)慢慢地通過該區(qū)域，越慢越好，宜船速≤最大流速，另外，尤其要注意不能突然加速，以確保底跟蹤有效地鎖定河底深度;②最好選用木船，因為鐵船對流向有一定的影響［3］。

6)過往船只對表層流的影響可能導(dǎo)致流量值不太準(zhǔn)確，施測斷面流量最好選擇在過往船只的間隙期，且應(yīng)偶數(shù)次測量取平均值作為結(jié)果。

7)ADCP 安裝位置要合適:①保證儀器探頭工作過程中不出水;②不要安裝在船頭或船尾產(chǎn)生大量氣泡的地方;③盡量遠(yuǎn)離噪聲源。

8)ADCP 一般不可當(dāng)作普通的測深儀使用。

3 應(yīng) 用

我國最大水閘之一的三河閘，是淮河流域的老虎頭工程，是淮河入江的咽喉，它的洪水調(diào)度影響整個淮河流域的防汛防旱工作。如果提供的流量資料偏大，將會影響整個淮河流域的洪水調(diào)度，甚至影響洪澤湖大堤的安全。如果提供的流量偏小，勢必延長三河閘行洪歷時，造成洪澤湖蓄水不足，影響灌溉和工農(nóng)業(yè)用水。傳統(tǒng)測流方法測流歷時過長，不能及時提供準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，此外流量代表性也隨之降低，甚至漏測洪峰等特征值，從而影響整個流域的防汛抗旱和水資源管理等工作［4］。因此2004年三河閘水文站引進了1 臺走航式ADCP。

為了進一步驗證ADCP 測驗流量的精度，用流速儀精測法進行了同步測驗，結(jié)果表明ADCP 測驗結(jié)果與流速儀精測法結(jié)果吻合較好，不存在系統(tǒng)誤差，ADCP 測驗精度完全達(dá)到流速儀精測法的精度要求，符合有關(guān)規(guī)范的要求，ADCP 與流速儀精測法比測結(jié)果統(tǒng)計表見表1。

表1 ADCP 與流速儀精測法比測結(jié)果統(tǒng)計表

結(jié)果說明:采用ADCP 進行流量測驗，不但具有準(zhǔn)確快速的優(yōu)勢，而且降低了勞動輕度，大大提高了工作效率。

［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］鄭念發(fā)，鄒曉天，高宇峰，等. 聲學(xué)多普勒流速剖面儀在水文站中的應(yīng)用［J］. 東北水利水電，2010(02):22 －23.

［3］水利部長江水利委員會水文局.GB50179—93 河流流量測驗規(guī)范［S］. 北京:中國計劃出版社，1994.

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