走航式多普勒流速剖面儀在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

王若晗 李繼清

(華北電力大學(xué), 北京 102206)

走航式多普勒流速剖面儀在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

王若晗 李繼清

(華北電力大學(xué), 北京 102206)

多普勒流速剖面儀(Doppler Current Profiler)是世界先進(jìn)和快速有效的測(cè)流儀器。本文通過(guò)分析聲學(xué)多普勒流速剖面儀的測(cè)流原理，與傳統(tǒng)測(cè)流方法對(duì)比聲學(xué)多普勒流速剖面儀。通過(guò)大創(chuàng)項(xiàng)目，結(jié)合山東濱海地區(qū)河流的實(shí)際測(cè)流，主要探討了聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)的突出優(yōu)點(diǎn)。ADCP的合理使用可以為未來(lái)河道開(kāi)發(fā)治理、水資源管理和防洪減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀； 新儀器； 比測(cè)試驗(yàn)

1 引 言

水是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。水量的獲取途徑主要通過(guò)流量的觀測(cè)，因此,快速、準(zhǔn)確地開(kāi)展河流流量測(cè)驗(yàn),是我國(guó)水資源管理以及防汛抗旱等水文工作的前提。流量測(cè)驗(yàn)是水文水資源行業(yè)的重要工作任務(wù)之一，傳統(tǒng)測(cè)流方法主要有流速儀面積法、浮標(biāo)法、比降面積法、水力學(xué)方法等，測(cè)驗(yàn)手段有船測(cè)、橋測(cè)、纜道、涉水等方式，這些方法普遍落后、信息化水平低，不能很好地適應(yīng)新時(shí)期水文測(cè)報(bào)快速、準(zhǔn)確、精度高、任務(wù)多的要求。聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，簡(jiǎn)稱ADCP)測(cè)流儀器的引進(jìn)較好地解決了這一問(wèn)題。ADCP具有精度高、速度快、信息化水平高等突出優(yōu)勢(shì)。在發(fā)生洪水，尤其是大洪水時(shí)，河道漂浮物較多，傳統(tǒng)測(cè)流方法不適應(yīng)，而ADCP可以快速準(zhǔn)確測(cè)量水的流速和流量，更好地為各級(jí)政府部門作出防汛決策提供準(zhǔn)確可靠的科技支撐。本文通過(guò)分析ADCP的測(cè)流原理，與傳統(tǒng)測(cè)流方法對(duì)比，結(jié)合山東濱海地區(qū)河流的實(shí)際測(cè)流，分析探討了ADCP的突出優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景。

圖1 ADCP實(shí)測(cè)區(qū)、非實(shí)測(cè)區(qū)、微斷面、單元示意

2 ADCP測(cè)流原理

ADCP是現(xiàn)今世界先進(jìn)測(cè)流儀器的典型，當(dāng)使用ADCP沿任一航跡穿過(guò)河流某一斷面時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)迅速測(cè)量出該斷面流量和某點(diǎn)流速，通過(guò)與電腦的連接，利用WinRiver軟件迅速地將圖生成并顯示。該儀器性能穩(wěn)定，高效快速，遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)機(jī)械式的測(cè)流儀器。自20世紀(jì)90年代初引進(jìn)我國(guó),至今已在我國(guó)的河流、湖泊、海洋等的水體流量測(cè)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用,特別是在潮汐河段的水文測(cè)驗(yàn)中應(yīng)用較多。

ADCP通過(guò)向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，利用水中顆粒的回波頻率來(lái)測(cè)量流速，在碰到水中的顆粒物時(shí)，發(fā)射的聲波脈沖會(huì)發(fā)生背散射，ADCP接受到回波信號(hào)并處理得到流速。ADCP首先測(cè)量的是沿聲束方向的流速分量。利用聲束角將聲束坐標(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成 ADCP坐標(biāo)下的流速分量，繼而通過(guò)羅盤提供的方向、傾斜計(jì)提供的縱搖和橫搖數(shù)據(jù)，將ADCP坐標(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)下的流速分量。我們使用的ADCP配備有四個(gè)換能器，與ADCP軸線成一定夾角，每個(gè)換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波。假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度與水體流速相同。當(dāng)顆粒物從遠(yuǎn)處接近換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高。當(dāng)顆粒物背離換能器運(yùn)動(dòng)時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率低，因顆粒物的運(yùn)動(dòng)而引起頻率的改變稱為聲學(xué)多普勒頻移。ADCP測(cè)流時(shí)實(shí)測(cè)區(qū)、非實(shí)測(cè)區(qū)、微斷面及單元布置見(jiàn)圖1。

ADCP計(jì)算流量基于如下公式：

(1)

式中Qt——除去岸邊非實(shí)測(cè)區(qū)后，從測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)至測(cè)驗(yàn)終點(diǎn)的總流量；

Vf——測(cè)船航跡斷面某微元處流速矢量；

dz——垂向微元長(zhǎng)度；

dt——時(shí)間微元；

Vb——測(cè)船速度矢量；

T——測(cè)船從測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)至終點(diǎn)的航行時(shí)間；

d——水的深度；

k——垂向坐標(biāo)單位矢量。

3 ADCP與傳統(tǒng)測(cè)流儀器應(yīng)用對(duì)比實(shí)例

3.1 應(yīng)用實(shí)例

濱州市位于黃河三角洲腹地，是山東省的北大門，面積9600km2，人口380萬(wàn)，是黃河三角洲區(qū)域內(nèi)最大的行政區(qū)，全市河流按流域劃分，除黃河及灘地歸黃河流域外，以黃河為界，南部為淮河流域，北部為海河流域。淮河流域主要有小清河、北支新河、孝婦河、杏花河、預(yù)備河、支脈河6條河流。海河流域內(nèi)主要有德惠新河、徒駭河、潮河等河流。

a.德惠新河位于徒駭河、馬頰河之間，由于該河流經(jīng)德州、濱州兩地區(qū)，所以稱為德惠新河。該河河道總長(zhǎng)77.6km，流域面積135.4km2。

b.徒駭河源于豫魯交界處的聊城市莘縣文明寨村東，自惠民縣淄角鎮(zhèn)靠河郡村入濱州市境內(nèi)，在沾化區(qū)濱海鄉(xiāng)西山后村北與秦口河匯流，經(jīng)套兒河至暴風(fēng)站北入渤海，全長(zhǎng)436km，流域面積13638km2，其中濱州市境內(nèi)河段長(zhǎng)度150.1km，流域面積4677.6km2。該河是黃河以北的一條主要防洪排澇河道。

c.潮河是黃河與徒駭河之間人工開(kāi)挖的一條獨(dú)流入海的排水河道，全長(zhǎng)75.46km，其中濱州市境內(nèi)流域面積1241.3 km2。主要支流有西沙河、新立河、秦臺(tái)干溝、朝陽(yáng)河等。本次選取徒駭河堡集閘、德惠新河白鶴觀閘、潮河賈家水文站斷面進(jìn)行了流量對(duì)比測(cè)驗(yàn)。

3.2 ADCP測(cè)流

ADCP需要結(jié)合WinRiver及BBTalk軟件一起使用，WinRiver軟件是ADCP數(shù)據(jù)處理的重要軟件，使用界面截圖見(jiàn)圖2。 BBTalk是一種超級(jí)終端軟件，可以利用直接指令來(lái)操作ADCP，主要用于設(shè)定和檢測(cè)ADCP。一般要求在每次測(cè)量前(下水前)都要運(yùn)行BBTalk軟件來(lái)對(duì)ADCP進(jìn)行檢測(cè)，從而保證設(shè)備的正?？煽窟\(yùn)行。

圖2 WinRiver軟件使用界面截圖

3.3 ADCP與傳統(tǒng)測(cè)流儀器對(duì)比

ADCP與傳統(tǒng)流速儀測(cè)驗(yàn)對(duì)比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下頁(yè)表。

實(shí)際測(cè)流時(shí)分兩組進(jìn)行，一組使用ADCP進(jìn)行測(cè)流，另一組使用機(jī)械式測(cè)速儀。測(cè)流進(jìn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)使用機(jī)械式測(cè)速儀的一組對(duì)于同一個(gè)斷面、不同的測(cè)流方向也會(huì)得到不同的數(shù)據(jù)，表明機(jī)械式測(cè)速儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)有極大的不穩(wěn)定性。相比之下，ADCP可以通過(guò)其多普勒原理，利用發(fā)射聲波的方式，使其獲得的數(shù)據(jù)在任何方向都有著一致性。ADCP不受其航線的影響，不光可以高效輕松地測(cè)量整個(gè)斷面的流速，也可以同時(shí)瞬間將斷面的流量測(cè)出，并直接繪出斷面流速航跡合成圖。而使用機(jī)械式測(cè)速儀，要在不同的測(cè)量位置投放多次，浪費(fèi)大量的人力。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，ADCP實(shí)測(cè)流量自測(cè)重復(fù)偏差最大只有2.9%， ADCP實(shí)測(cè)流量多次(2～4次)均值與傳統(tǒng)流速儀施測(cè)流量相差在±5%以內(nèi)， ADCP實(shí)測(cè)流量比傳統(tǒng)流速儀法節(jié)時(shí)約60%～75%，這說(shuō)明ADCP性能可靠，精度較高，節(jié)約時(shí)間，在水草嚴(yán)重的江段使用仍然能夠快速地進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，精度高于水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。一臺(tái)ADCP相當(dāng)于多個(gè)測(cè)速儀，因此在水文測(cè)驗(yàn)中使用ADCP可以達(dá)到高效節(jié)省人力的效果，使水文測(cè)驗(yàn)事半功倍。

ADCP與傳統(tǒng)測(cè)流儀流量測(cè)驗(yàn)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)然，應(yīng)在中水和含沙量小的河流中使用ADCP，投放時(shí)避免與水草纏繞。在堰閘等水工建筑物下游測(cè)流時(shí)，測(cè)流斷面應(yīng)避開(kāi)波浪及回水較大的區(qū)域，以免產(chǎn)生測(cè)流盲區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)ADCP與傳統(tǒng)機(jī)械式方法的測(cè)流的一系列對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ADCP滿足精度要求，具有測(cè)量快速、不干擾水體、極少受天氣影響等優(yōu)點(diǎn),是一種快速有效的測(cè)流裝置，在水文測(cè)驗(yàn)中，特別是洪水測(cè)驗(yàn)中可大力推廣使用，為未來(lái)河道開(kāi)發(fā)治理、水資源管理和防洪減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 中華人民共和國(guó)水利部.GB 50179—2015 河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

[2] 李志敏.ADCP流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)用研究[J].廣西水利水電,2003(3):7-10.

[3] 謝波,田岳明,葉建紅.ADCP河流流量測(cè)驗(yàn)及其誤差分析[J].水資源研究，2007(4)：35-36.

[4] 饒西平.ADCP測(cè)流與傳統(tǒng)測(cè)流的對(duì)比及應(yīng)用[J].科技咨詢，2012(6):96.

[5] 劉濤.水環(huán)境演變規(guī)律分析及治理對(duì)策研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

Application of underway Doppler Current Profiler in hydrometry

WANG Ruohan, LI Jiqing

(NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Doppler Current Profiler is a world-advanced, quick and effective current measurement instrument. In the paper, the acoustic Doppler current profiler is compared with traditional current measurement methods through analyzing current measurement principles of acoustic Doppler current profiler. Combined with actual current measurement of rivers in Shandong coastal area through Dachuang projects, prominent advantages of Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) are discussed mainly. Rational application of ADP can provide scientific basis for river development governance, water resources management, flood control and disaster alleviation in the future.

ADCP; new instrument; comparative test

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.04.017

TV123

A

2096-0131(2017)04- 0051- 04