多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

魏小偉，劉金山，韓立光，曹愛華

（日照市水文局，山東 日照276826）

多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

魏小偉，劉金山，韓立光，曹愛華

（日照市水文局，山東 日照276826）

對(duì)多普勒剖面流速儀測(cè)流的工作原理展開了詳細(xì)分析，總結(jié)了當(dāng)前多普勒剖面流速儀在使用過程中遇到的一些技術(shù)問題，并對(duì)多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用方法與流程展開了簡(jiǎn)要分析。

ADCP;多普勒頻移;流速

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.023

1 多普勒剖面流速儀測(cè)流原理

多普勒剖面流速儀的英文縮寫為ADCP，它是近來年國(guó)際上流行的一種新的流量測(cè)量?jī)x器設(shè)備，應(yīng)用于水文流量測(cè)驗(yàn)中具有快速性、精準(zhǔn)性及經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)。多普勒剖面流速儀的測(cè)量原理源于多普勒效應(yīng)（多普勒頻移），即由多普勒剖面流速儀作為聲源（超聲波）發(fā)出的聲波為水中的漂浮物（聲波接收體）所反射，聲源與聲波接收體處于相對(duì)移動(dòng)的狀態(tài)之中，因?yàn)樗衅∥锝邮盏降穆暡l率與流速儀發(fā)出的聲波頻率之間就產(chǎn)生了一個(gè)差值，通過測(cè)量產(chǎn)生的這個(gè)頻率差值式（1）,便可計(jì)算出水流的流速。式中，F(xiàn)D為聲學(xué)多普勒頻移；Fs為發(fā)射聲波頻率；v為漂浮物沿聲速方向的移動(dòng)速度；c為聲波在水中的傳播速度；2為系數(shù)，多普勒剖面流速儀既要發(fā)射聲波，又要接收回波，其頻移是加倍的。

ADCP自身定義有直角坐標(biāo)系為X-Y-Z，Z方向即為軸線方向。ADCP通常配有4個(gè)換能器（見圖1），分布于流速儀的軸線的兩側(cè)并與ADCP軸線形成一定的夾角，每個(gè)換能器將聲波有指向性（即發(fā)射的聲波集中于較窄的范圍）的發(fā)射出去后又接收水體中漂浮物散射回來的聲波，這樣4個(gè)換能器就形成了4個(gè)聲束，其軸線視為聲束坐標(biāo)，測(cè)得的流速即是水流沿其聲束坐標(biāo)方向的速度，任意3個(gè)聲束坐標(biāo)組成一組空間聲束坐標(biāo)，利用聲速坐標(biāo)與ADCP自身的X-Y-Z坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，換算出換能器在X-Y-Z坐標(biāo)系下的流速分量，進(jìn)而通過羅盤、傾斜儀所測(cè)量的方向、傾斜數(shù)據(jù)將流速轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系下的流速。

圖1 四聲束A D CP換能器分布及其編號(hào)示意圖

2 多普勒剖面流速儀存在的技術(shù)問題

多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用有效提高了流量測(cè)驗(yàn)工作的效率，但是由于超聲波在水中的傳播速度會(huì)受水溫、鹽度、懸浮物含量等因素的影響，水溫和鹽度的變化可引起相同流速下的不同多普勒頻移，超聲波的傳播距離受水中懸顆粒的含量限制，這些影響因素都在一定程度上影響著測(cè)量的精度。以走航式ADCP為例，分析其在水文流量測(cè)驗(yàn)中存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

1)當(dāng)河流存在“底沙運(yùn)動(dòng)”時(shí)，河底推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響測(cè)量船體的航行速度，主要是因?yàn)楹拥椎哪嗌吃诟咚龠\(yùn)移的測(cè)船經(jīng)過時(shí)會(huì)隨水流遷移。ADCP的“底跟蹤”方式所測(cè)量的測(cè)船行進(jìn)速度是大于實(shí)際航速的，即測(cè)得的水層流速是小于實(shí)際流速的，航速的測(cè)量失真導(dǎo)致流量測(cè)驗(yàn)成果不準(zhǔn)確。

2）多普勒剖面流速儀內(nèi)部配置的磁羅經(jīng)和陀螺羅經(jīng)可能受到鐵磁質(zhì)測(cè)船所形成的外界磁場(chǎng)干擾，致使測(cè)量的羅經(jīng)方向與水流的實(shí)際方向產(chǎn)生了夾角，即方向的偏移使得水流流向的測(cè)驗(yàn)結(jié)果失真。

3）雖然水體中的含沙量?jī)H僅吸收聲能，不會(huì)改變聲波的傳播速度與多普勒頻移，但當(dāng)水體中的含沙量較高時(shí)，水體對(duì)聲波的反射和吸收都增強(qiáng)，即多普勒剖面流速儀回收的聲波強(qiáng)度衰減速度較快，進(jìn)而影響水深的測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4）因?yàn)樵O(shè)備安裝要求儀器探頭在整個(gè)測(cè)驗(yàn)過程中始終不會(huì)露出水面，以及設(shè)備自身設(shè)計(jì)、施測(cè)流量時(shí)左右岸邊離岸距離和水深的要求，會(huì)產(chǎn)生流量測(cè)驗(yàn)盲區(qū)，造成流量測(cè)驗(yàn)誤差。

3 多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 測(cè)驗(yàn)方法

多普勒剖面流速儀在水文流量測(cè)驗(yàn)中屬于超聲波法測(cè)流速，利用超聲波在水中的傳播特性，可以分為頻差法和時(shí)差法兩種測(cè)速方法。頻差法（圖2）利用超聲波順流向與逆流向傳播時(shí)間不同來測(cè)速，ADCP測(cè)驗(yàn)即是利用了頻差法進(jìn)行水文流量的測(cè)驗(yàn)。

圖2 頻差法測(cè)速示意圖

3.2 測(cè)驗(yàn)流程

利用蓄電池為ADCP提供能源支持，連接至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣與回收。ADCP可以安裝在固定平臺(tái)（河底）上進(jìn)行定點(diǎn)垂線或水平流速的分層測(cè)量，安裝在移動(dòng)平臺(tái)（測(cè)船）上，進(jìn)行走航式流速剖面測(cè)量。根據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL337—2006）要求，測(cè)驗(yàn)工作主要包括測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)備階段工作、實(shí)施測(cè)驗(yàn)工作及水文流量測(cè)驗(yàn)成果檢驗(yàn)等主要工作內(nèi)容。

首先是測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的羅盤校正工作。按照國(guó)家對(duì)于多普勒測(cè)流的規(guī)范，水文流量測(cè)驗(yàn)前必須做好羅盤校正，使得多普勒剖面流速儀內(nèi)部配置的羅盤得到補(bǔ)償后指向磁場(chǎng)的正北方向，特別是在利用KTKGPS計(jì)算流量時(shí)，ADCP內(nèi)置羅盤必須以大地的正北方向作參考。運(yùn)用RiverSurveyorLive軟件與測(cè)驗(yàn)地的磁偏角數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)置羅盤的磁極北進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得羅盤指向?yàn)榇蟮乇?，減少因羅經(jīng)方向與水流的實(shí)際方向產(chǎn)生了夾角而造成的流量計(jì)算偏差。

然后是水文流量的測(cè)驗(yàn)工作。根據(jù)測(cè)驗(yàn)地的現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇配置距離合理的無線傳播數(shù)據(jù)方式用以接收測(cè)驗(yàn)成果數(shù)據(jù)。無線電臺(tái)接收終端安置在河岸上，通過與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，測(cè)量工作可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，控制測(cè)量的開始與結(jié)束。測(cè)驗(yàn)工作開始前根據(jù)斷面情況設(shè)置的深度單元尺寸應(yīng)不小于設(shè)備允許的下限，深度單元數(shù)不超過設(shè)備允許的上限，同時(shí)深度單元尺寸與深度單元數(shù)的乘積不應(yīng)小于所測(cè)斷面的最大水深，并實(shí)際測(cè)量換能器入水深度。測(cè)量時(shí)，測(cè)船應(yīng)從斷面下游駛?cè)霐嗝妫诮咏瘘c(diǎn)位置時(shí)，航行速度沿?cái)嗝姹３纸咏蚵孕∮谒魉俣龋敝两K點(diǎn)。

ADCP測(cè)量過程中的成果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于內(nèi)置存儲(chǔ)器中，并進(jìn)行實(shí)時(shí)流量計(jì)算。對(duì)于水文流量的測(cè)驗(yàn)需要經(jīng)過多個(gè)回次的測(cè)驗(yàn)，將多個(gè)測(cè)次的流量值進(jìn)行平差計(jì)算，得出本次流量測(cè)驗(yàn)的最終流量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)于流量測(cè)量成果匯總表中，匯總表需要包含開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、水溫、航跡、河寬、船速、左右岸流量、測(cè)量流量、底層流量及總流量等。

最后對(duì)水文流量測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行檢驗(yàn)。傳統(tǒng)流速儀將河道斷面分段劃分，計(jì)算各部分的斷面面積，將斷面面積與流速儀測(cè)得的流速相乘計(jì)算出部分流量，將各部分流量相加所得值就是全斷面的流量?？梢杂贸Ｒ?guī)流速儀與ADCP實(shí)行同步實(shí)測(cè)，分析計(jì)算測(cè)量的相對(duì)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)ADCP測(cè)量數(shù)據(jù)成果進(jìn)行修正，以滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL247—2012）和《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179—2015）的精度要求。

3.3 流量測(cè)驗(yàn)誤差控制

1）測(cè)量時(shí)，測(cè)船橫渡速度宜接近或略小于水流速度，并盡量保持勻速前進(jìn)。2）儀器入水深度、水位、水深、水邊距離測(cè)量盡量精確，避免人為造成的誤差。3）在測(cè)驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)斷面情況、可能最大流速、測(cè)船動(dòng)力情況和測(cè)驗(yàn)要求設(shè)置聲學(xué)多普勒流速儀參數(shù)。4）水位漲落率大時(shí)，應(yīng)根據(jù)水位漲落變幅情況盡量減少測(cè)流歷時(shí)所引起的流量誤差。

4 結(jié)語

綜上所述，多普勒剖面流速儀測(cè)驗(yàn)效率較高，還可以通過計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程顯示與監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是在測(cè)驗(yàn)過程中為了減少測(cè)量誤差提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，需要注意ADCP測(cè)量的使用條件與使用范圍，降低水流中漂浮物、含沙量、水溫、鹽度等因素對(duì)于測(cè)量準(zhǔn)確性的影響?？茖W(xué)運(yùn)用ADCP技術(shù)獲得河流、水庫(kù)、湖泊等水體的水文特征值，不僅能有效服務(wù)于防汛抗旱工作，還能在水資源的合理開發(fā)利用和水環(huán)境的保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。

Application Analysis of Acoustic Doppler Current Profilers in the Test of Hydrologic Flow

WEI Xiao-wei,LIU Jin-shan,HAN Li-guang,CAO Ai-hua
(HydrologyBureau of Rizhao,Rizhao 276826,China)

This paper on Acoustic Doppler Current Profilers's measurement principle of flow has launched the detailed analysis,summarized the currentAcousticDopplerCurrent Profilers in some technical problems encountered in the process of use, and the flow of thedopplerprofileinhydrologicalflowtestinabriefanalysisoftheapplicationofthemethodandprocess.

ADCP;dopplerfrequencyshift;thevelocity

P332.4

B

1007-9467（2016）09-0091-02

2016-06-14

魏小偉（1980～），男，山東日照人，工程師，從事水文水資源勘測(cè)與研究，（電子信箱）993156161@qq.com。