水文新儀器在中小河流測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

郭曉峰

摘 要：水文儀器的應(yīng)用是水文發(fā)展實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的必要工具。水文儀器在流量測(cè)驗(yàn)中發(fā)揮著重大的作用，目前我國(guó)水文儀器設(shè)備的研制和應(yīng)用技術(shù)水平在不斷提高，但其中也存在不少的問(wèn)題。本研究對(duì)水文新儀器在流量監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用狀況進(jìn)行分析，總結(jié)了水文新儀器對(duì)于流量監(jiān)測(cè)的作用以及在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行分析，提出了解決辦法。本文以“聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）”為基點(diǎn)，分析ADCP在水昨工程應(yīng)用原理，淺析ADCP在中小河流中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新儀器（ADCP） 中小河流 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（c）-0024-02

近年來(lái)，許多新型水文儀器投入到流量測(cè)驗(yàn)中，這些新的測(cè)量原理和測(cè)驗(yàn)方法已得到廣泛的認(rèn)同，新儀器在流量測(cè)驗(yàn)中，對(duì)于提高測(cè)驗(yàn)的安全性，測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確度具有很大作用，因此這些水文新儀器得到了廣泛的應(yīng)用。

水文儀器在流量測(cè)驗(yàn)中的主要目的在于實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化，而水文現(xiàn)代化的重點(diǎn)體現(xiàn)在水文手段以及水文工具的科技化。水文新儀器主要是對(duì)流量資源信息的采集以及傳輸，在此基礎(chǔ)上新儀器還要對(duì)采集和傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分析，以便于預(yù)測(cè)流量的現(xiàn)狀。隨著時(shí)代的發(fā)展，科技水平的提高，各種水文測(cè)報(bào)儀器設(shè)備也得到了改善，很多已達(dá)到了智能化；水文儀器的應(yīng)用使得水文監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化。

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒理論研制，可用于實(shí)時(shí)測(cè)量河流流速、流量的設(shè)備。它具有能直接測(cè)出斷面的流速剖面、具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)。目前被用于海洋、河口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測(cè)驗(yàn)等。它利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量。ADCP因其原理的優(yōu)越性，突破傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ)的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過(guò)水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出流速。隨著技術(shù)日益完善、不斷進(jìn)步，由原來(lái)測(cè)量海洋逐漸延伸到河流的流量測(cè)驗(yàn)，有利于提高測(cè)量精度。

1 ADCP流量測(cè)量原理

與傳統(tǒng)的人工船測(cè)，橋測(cè)，纜道測(cè)量，和涉水測(cè)量的基本原理一樣：在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線，在每條垂線處測(cè)量水深并測(cè)量多點(diǎn)的流速?gòu)亩玫酱咕€平均流速，但ADCP所測(cè)的垂線可以很多，每條垂線上的測(cè)點(diǎn)也很多。ADCP實(shí)際上應(yīng)是一個(gè)包括：（1）ADCP換能器（4個(gè)探頭）；（2）操作軟件系統(tǒng)；（3）計(jì)算機(jī)及連接設(shè)備等3個(gè)主要部分組成。利用聲學(xué)原理，ADCP向水體發(fā)射一個(gè)（一對(duì)或一組）聲脈沖，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個(gè)頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP的速度。同時(shí)，還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測(cè)出ADCP安裝平臺(tái)（測(cè)船）的運(yùn)動(dòng)速度以及水深，然后將水流相對(duì)速度扣除船速得到水流的絕對(duì)速度。聲學(xué)多普勒移則由下式確定：

Fd=2Fs（V/S）

式中，F(xiàn)d為學(xué)多普勒頻移；Fs為發(fā)射波頻率；V為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度；C為聲波在水中的傳播速度。

目前，針對(duì)水體流速測(cè)量，ADCP主要包含定點(diǎn)式、走航式兩種測(cè)量方式，定點(diǎn)式測(cè)量是在水流固定點(diǎn)上安裝ADCP，例如水面橋墩，利用ADCP測(cè)量水體，因儀器在固定一點(diǎn)上測(cè)量數(shù)值，所以，測(cè)定水體所得數(shù)值為真實(shí)值，可直接用就于數(shù)據(jù)處理。而走航式測(cè)量將ADCP在移動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量數(shù)據(jù)，所以測(cè)量數(shù)據(jù)是一種以船體作為參照物的相對(duì)測(cè)定值。

2 ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

針對(duì)水文監(jiān)測(cè)而言，ADCP可準(zhǔn)確測(cè)定水流流速、水流截面流速，可估算測(cè)定岸邊的水體流速。

對(duì)中小河流展開(kāi)水文測(cè)驗(yàn)時(shí)，首先ADCP發(fā)射固定頻率數(shù)值的聲脈沖到水體，聲脈沖通過(guò)與水體懸浮物發(fā)生碰撞，接著ADCP接收反射波，對(duì)聲脈沖原頻率與反射波頻率差值進(jìn)行計(jì)算，利用ADCP方程式進(jìn)行計(jì)算，獲得水體流速。計(jì)算公式為：

V=1000×Fd（C/2Fs Cos（A））

式中，V為水流速度；C為ADCP換能器表面處的聲速；Fs為ADCP發(fā)射的聲波頻率；A為波束方向與流速方向的夾角；Fd為多普勒頻移。

采用ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，是遵從“流速-面積法”，計(jì)算公式為：

Q=su·ξds

式中：Q為流量；s為河流某斷面部分面積；u為河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；ξ為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；ds為河流斷面上面積微元，由下式確定：

ds=|Vb|·dz·dt

式中：dz為垂向長(zhǎng)度微元，z自河底起算；

dt為時(shí)間微元；

Vb為船速矢量；

|Vb|為作業(yè)船速度（沿航跡）。

實(shí)際水文測(cè)驗(yàn)工作中，許多因素均會(huì)干擾聲脈沖頻率，引起反射聲脈沖頻率發(fā)生波動(dòng)，引起測(cè)定水流流速出現(xiàn)失真。測(cè)定中小河流流量時(shí)，因水文運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致水體變化，對(duì)ADCP測(cè)定水流流量造成影響。中小河流的洪峰時(shí)期，因水體出現(xiàn)較大的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，水底所沉積泥沙，隨著水體運(yùn)動(dòng)發(fā)生翻騰，許多泥沙運(yùn)動(dòng)影響了聲波換能器手機(jī)反射的聲脈沖，導(dǎo)致脈沖頻率不能夠得到準(zhǔn)確測(cè)定。為解決水文測(cè)驗(yàn)時(shí)ADCP遇到問(wèn)題，應(yīng)仔細(xì)挑選測(cè)定地點(diǎn)，選取穩(wěn)定的流速水體，展開(kāi)聲脈沖頻率測(cè)定，確保脈沖頻率能夠最大范圍防止外界干擾，提高聲脈沖測(cè)量準(zhǔn)確度。在檢測(cè)ADCP必將使數(shù)據(jù)精度更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)測(cè)量范圍更加廣泛，從而達(dá)到世界水文檢測(cè)的測(cè)定數(shù)據(jù)需求。

3 ADCP的優(yōu)點(diǎn)

ADCP的優(yōu)點(diǎn)如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

ADCP是水流流量測(cè)定最為科學(xué)、最為先進(jìn)的水體檢測(cè)是設(shè)備，可有效節(jié)省人力測(cè)量，提高水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性，通過(guò)利用ADCP測(cè)驗(yàn)不同河段的水流流速，可使河流栓驗(yàn)得到有效簡(jiǎn)化，有利于提升河流資料整合，與傳統(tǒng)剖面流速測(cè)驗(yàn)技術(shù)對(duì)比，ADCP測(cè)量方式更為方便、快捷，可確保較高的測(cè)量精度，可使河道水流的信息，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度得到有效提高，這將強(qiáng)有力地推動(dòng)著水文測(cè)驗(yàn)信息化的發(fā)展，但仍有一些方面有待完善，如底沙運(yùn)動(dòng)，外界磁場(chǎng)干擾以及測(cè)量盲區(qū)等問(wèn)題的存在，仍需在技術(shù)上尋求進(jìn)一步的突破。

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