淺析多普勒流量剖面儀在水文觀測中的應用

摘要：文章旨在實現多普勒流量剖面儀在水文觀測中的綜合應用，通過結合多普勒流量剖面儀的工作原理，以長洲水利樞紐為例，對水文觀測的適用性做了分析，結合水流狀況，合理的選擇硬件配置，實現測量的控制，分析測量的結果，并分析應用中出現的問題，提出了具體的對策。

關鍵詞：多普勒流量剖面儀；水文觀測；測量控制；測量結果；長洲水利樞紐 文獻標識碼：A

中圖分類號：P332 文章編號：1009-2374（2016）36-0157-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.078

多普勒流量剖面儀主要是測量三維流場的一種剖面圖，在海洋監測以及環境保護中有著多方面的應用。借助于聲波對水流的速度進行遙測，避免給流場帶來干擾，同時航行過程，可以迅速地測量流速剖面。為了進一步探討多普勒流量剖面儀在水文觀測中的應用效果，通過對長江水利樞紐至廣東封開縣進行實例分析。儀器采用了自動適應不同水深的單一工作模式，在各種不同水深或河床水深變化很大的河道中進行測量，同樣可靠而穩定，而且軟件的使用非常方便，只需幾分鐘就可以設置完畢，投入運行，應用于河道流速和流量測驗、海洋流場觀測、船只和水下載體導航等。本文對此做了深入的研究。

1 長洲水利樞紐壩下至廣東封開縣概況

長洲水利樞紐是西江黃金水道建設的咽喉要道，自建成運行以來，壩下河床受清水沖刷、河道采砂和航道整治影響，水位下降明顯，造成現有一、二線船閘枯水航深不足、通航保證率降低，制約了長洲航運節點的通過能力。為了提高西江干線瓶頸河段的通過能力，滿足航運發展的需要，長洲水利樞紐三線、四線兩個3000t級船閘工程于2009年12月開工建設，預計2014年底建成通航。西江是珠江主干流，上接滇黔湘，下連粵港澳，是溝通西南地區通江達海的水路運輸大通道，是兩廣交通運輸的大動脈。長洲在建三、四線船閘投入運行后將大幅提升長洲樞紐的通過能力，但現有一、二線船閘仍將承擔很大一部分貨物通行，枯水期仍將面臨礙航問題，隨著西江黃金水道建設的加快，從根本上解決一、二線船閘枯水航深問題，全面提升長洲樞紐整體能過能力是西江黃金水道建設中迫切需要的。長洲水利樞紐運行以來，受樞紐清水沖刷、下游河段航道整治以及河道挖沙等影響，壩下枯水位下降，現有一、二線船閘通航保證率降低，抑制了船閘通過能力，本次原型觀測的目的是為長洲樞紐一、二線船閘通過能力提升關鍵技術研究提供基礎資料，觀測長洲樞紐壩下河段新的水沙變化資料以及灘槽相應演變的資料，收集與之相關的其他水力資料。

2 測量控制

2.1 測量原理

多普勒流量剖面儀通過打破機械式的儀器測驗過程，結合測驗的成果進行聯機存儲，測驗的速度和精度不斷提高，同時也有著較強的現代化水平。多普勒流量剖面儀有四個換能器，和軸線形成一定的夾角，不僅可以作為發射器，同時也可以作為接收器。換能器發射的過程，借助于集中的聲波處理，同時換能器的發射過程，可以回收顆粒散射回來的聲波。聲學多普勒流速剖面儀主要由主機、工作電纜和顯控軟件組成。其工作原理是通過測量設備發射的聲學信號經被測水體或海底散射后產生的多普勒頻移來估計設備相對于水體或海底的運動速度。與傳統設備相比具有能直接測出斷面的流速剖面、測量精度高、不干擾被測流場的運動狀態等優點，此外由于其在進行流速測量的同時，能夠測量設備的相對河底的高度和運動速度，因此通過走航測量可直接估計出被測河道斷面的流量。

2.2 多普勒流量剖面儀的測量

2.2.1 測量準備。測圖時間為2014年12月～2015年5月中枯水期，結合三、四線船閘下引航道施工情況分兩次測量：除長洲樞紐三、四線船閘引航道以及因水淺難以測量區域（淺灘、壩田等），其余范圍地形測量在枯水期完成。長洲樞紐三、四線船閘引航道以及枯水期因水淺難以測量的區域（淺灘、壩田等），待三、四線船閘引航道施工完成后的中水期進行補測。

測量范圍主要是長洲樞紐至界首灘尾約23km地形觀測：測量范圍自長洲水利樞紐壩軸線至大元沖口下游1.5km處的界首灘尾，包括長洲樞紐一線至四線船閘輪廓，已建或在建的水工設施的輪廊測量。測圖比例為1∶2000，航道整治建筑物附近需要加密測點。對長洲一線至四線船閘、下游引航道區域以及礙航灘段的礁石區域進行必要的1∶500局部地形觀測。測量過程中，全河段地形圖以高程繪制，基面與水文資料的基面一致；兩岸測量范圍為測至高堤；丁壩、潛壩、圍堤的寬度和高程以及缺口的寬度和高程，水流走向等均應在圖上標記清楚；圖上應標記水尺、測流斷面、岸上控制點的位置及相應坐標等。按1∶500測繪地形圖，水下礁石的范圍、特征、高程，應有測點，并標記清楚。

2.2.2 使用方法。多普勒流量剖面儀使用過程，將多普勒剖面流速固定在河中可能有走底情況的垂線至少5min，用軟件記錄一個數據文件：船跡會顯示出從開始點向上游方向移動，顯示的“DMG”（直線距離）較大（表示有走底現象）。當船跡沒有明顯向上游方向移動時，顯示的“DMG”較小。

2.2.3 斷面流速分布測量。結合枯水期地形測量時進行，測量時間為2015年枯水期。測流斷面為龍圩水道、內江、洗馬灘、桂江4個進行測量。測流斷面位置應盡可能同水流流向垂直，若不能做到和所有測點垂直，應觀測斷面和水流間的流向角，并可視水流、岸線情況做適當調整，確定后應標記位置和坐標，河寬與地形圖一致。垂線布設和垂線點數應根據山區河流特點，參照水運工程測量規范執行，各斷面流量閉合誤差應符合有關測量規范要求。

2.2.4 水位測量。水位測量包括長期觀測的基本水位與臨時水尺。基本水尺設長洲船閘系船墩水尺、龍圩航道站、二頂、梧州航道站、梧州水文站、界首灘尾等6處，均設有自動水位儀；臨時水尺設3處，包括長洲尾、梧州舊站、江口航道站。基本水尺從2015年1月開始觀讀至2015年12月，每天在8∶00和16∶00觀測兩次；測流期間及測流前、后各一天，每小時觀讀一次，水位變化較快時相應縮短至每半小時觀讀一次。長洲樞紐三、四線船閘引航道以及淺灘、壩田等區域地形補測時，應進行1次水位觀測，觀測時間24小時，每小時觀讀一次，水位變化較快時相應縮短至每半小時觀讀一次。測流期間及測流前、后各一天，臨時水尺應同步每小時觀讀一次，水位變化較快時相應縮短至每半小時觀讀一次。對采用自動水位儀觀測的水位應定期進行校核，參照水運工程測量規范執行，確保數據的準確性。

2.3 和旋杯式流量測量的比較

傳統旋杯式流量測量過程，和多普勒流量剖面儀測量過程有著大致相同的測量原理，通過在測流斷面上對多條垂線進行布設，并測量水深，實現多點流速的測量工作。但是旋杯式流量測量過程，主要是一種靜態性的測量方法，流速儀僅僅在水中不同深度進行實測，有著一定的難度。但是對于多普勒流量剖面儀測量過程，有著動態性的測量方法，在持續性的測量環節，結合全斷面的測量應用，實際移動過程有著多條垂線布置，在深度點的流速值確定的時候，可以實現多個深度點流速值的深測。關于傳統流速儀的測量環節，融合人員勞動強度的分析，人員操作量較小，在短時間內就可以計算水斷面的流量，工作人員勞動強度相對較低，工作人員的人數也是相對較小的。

3 測量結果

關于測量的分析，在5月和6月有著較小的系統誤差，主要是當時的測驗過程有著不成熟的測驗過程，人為誤差相對較大。多普勒流速剖面儀測量環節，結合流速儀法的測量過程，和河道流量測驗規范大致相同，不僅提高了測量的精確性，同時測站人員的勞動強度也在逐漸的降低。常規流速儀的確定，融合內陸河流域的水利工程性的測量需求。對于常規流速儀的測量，和水力工程測量需求相滿足。相對而言，傳統旋杯式流量測量儀器測量過程僅僅有著靜態性的測流環節，同時垂線流量的測量過程，僅僅需要結合有限的測點數據進行斷面流量的測量。對于多普勒流速剖面儀流量過程，有著精細化的子斷面的測量環節，同時數據量相對豐富，通過對河流流量進行計算，并做好斷面流量剖面的測量過程。

4 遇到的問題和解決對策

多普勒流速剖面儀流量過程，從近些年來的總結中顯示，不僅有硬件問題，同時也有數據處理以及測驗處理等相關的問題。在選擇測船的時候，結合鐵磁質測船的方法，在流速數據測量過程，往往有著較大的誤差，這一問題的解決需要應用非鐵磁質進行測船，結合木船以及玻璃鋼船的形式進行測量。選擇多普勒流速剖面儀流量的時候，保證有著最大的剖面深度，同時也要確定分層精度，盡可能地選擇600kH型號的多普勒流速剖面儀流量。關于多普勒流速剖面儀流量參數的設置，結合多普勒流速剖面儀流量盲區和深度單元尺寸，同時確定脈沖間隔時間，保證有著準確性的測驗結果。

5 結語

因此，水文觀測中多普勒流量剖面儀的應用，就要做好水體剖面的無干擾測量，降低測量工作的難度，應用走航式的測量正確地計算流量，結合聲波的背向散射強度，對水體懸浮泥沙濃度進行處理，尤其是復雜地形的確定，合理地選擇水文條件，確定測驗的參數，準確地計算參數，同時做好后續數據的有效性處理和應用，并保證有著精確的精度要求，實現水文的有效性觀測。

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作者簡介：楊劍鋒（1973-），男，廣西藤縣人，供職于廣西壯族自治區梧州航道管理局，研究方向：航道測量。

（責任編輯：小 燕）