超聲波測深技術在水文監測中的應用

周俊峰

摘 要：隨著網絡信息化技術的不斷發展，信息化技術被應用到了各個領域，促進了各個領域的發展。在水文領域進行信息化的建設，水文領域的蓬勃發展。在生物技術與信息化技術的影響下，水文領域利用高新技術改造水利行業，并運用自動化技術、超聲波技術等高科技，促進了水文領域的全面性的科技發展。本文分析了超聲波探測技術在水文監測中的應用。

關鍵詞：超聲波；水文監測

各國科學家們自十九世紀便開始了超聲波技術的研究，距今已有上百年的歷史。隨著科學技術水平的不斷提高，超聲波技術得以繼續發展，如今更是被應用到了各個領域。其中在湖泊、江河等水文監測中應用超聲波技術，有利于提高水深和水流速及流量監測的準確性。我國先后研發了船用回聲探深儀、水文纜道探深儀、以及超聲波流速儀和水位計等。HSH-L型號的探測儀正式依據超聲波探測技術研發的，不需專門的導線，只需水體與纜道的鋼繩，即可成為傳輸信號的通道。并分析信號的疊加概率，從而使超聲波監測水域深度和精度以及監測結果的可靠性提升。

1 原理

機械振動所產生的機械波的其中一種即為聲波，而機械的震動頻率通常為幾赫到幾兆赫。當頻率小于10赫時我們稱之為次聲波，而頻率在10赫至10000赫的能夠被人耳所聽見的是聞聲波也就是通稱的聲波，頻率高于聲波的即為超聲波，不為人耳索能聽見。

通過質點的振動可以實現超聲波的傳播，聲波可以在具有彈性的任何物質中進行傳播，因為聲波穿過物體時，使質點的順序發生了改變，且按照固定的軌道進行移動。

直接由機械振動所產生的即為超聲波，通過能量轉換，可以使超聲波被控制。發射超聲波時，電能逐漸轉化為機械能從而發生震動，而在接收超聲波時，則是機械能逐漸轉成電能，對電能進行進一步的處理，并將相應的結果利用數據進行表示。

超聲波的特點為直線的傳播、折射、吸收、反射等以及波束效應。在水文監測中應用超聲波測探技術的前提是對超聲波各種特性的深刻理解。

2 超聲波測流速

江河中水的流速的測量目前大都用測船或過河纜道將轉子式流速儀投入水中，記錄流速儀在一定時間內轉動的次數來推算流速，所需測量時間長，效率低，勞動強度大。用超聲波測流速的方法很多，主要的有時差法、頻差法、相位差法、多普勒法等等。國內常用的是時差法，它利用超聲波在順流和逆流中傳播速度的差異來測定水體中某一水層的平均流速的。

超聲波測流速的主要優點是測量速度快，效率高；節省人力，減輕勞動強度；不破壞水體原有狀態，測量精度較高；便于自動控制和實現無人自動測量；不影響河道通航等。但超聲波測速技術要求較高，河道斷面要整齊穩定。當流速很大、含沙量很高時，超聲波衰減嚴重，噪音千擾也大。測速技術還需進一步提高。

3 超聲波測水深

超聲波在某種物質中傳播，當到達另一種物質分界面時，一部分能量透過分界面進入第二種物質，另一部分能量則返回到第一種物質內并改變其相角，.向相反的方向傳播。將收發超聲波的換能器置放在水中一定位置，向河底或水面發射，因超聲波在水體中傳播速度是已知的，接收并記錄超聲波往返所需的時間，就很容易得到水深的數據。利用超聲波這一基本原理，可以研制出各種不同精度和用途的超聲波測深儀器。目前國內生產的超聲波測深儀主要有二類：一類是船用回聲測深儀；另一類是水文纜道超聲波測深儀。

4 超聲波水位計

應用超聲波觀測水位，其原理與超聲波測水深基本相同，但超聲波測水位的換能器是固定安設的，其方式有二種：一種是設置在江河或水庫的最枯水位以下的固定點上，并測量出固定點基準高程，只要用超聲波測出換能器以_L水的深度就可以知道水位了；另一種是把換能器安設在最高水位以上的固定點上，同樣測出固定點的基準高程，用超聲波觀測固定點至水面的距離也就可以知道水位了。我國目前多采用前一種。由于聲速受到溫度的影響，因此超聲波水位計都還要有溫度改正裝置超聲波觀測水位的優點主要是不需建自記測井，節約經費；安裝使用靈活方便，因江河中沖淤變化影響水位觀測時，儀器設備容易搬遷；便于遙測遙控。但是，目前生產的儀器還不適用于泥沙多、流速大的江河。

5 未來展望

加強水聲基礎技術的研究。我國地域廣闊，江河水庫很多，水文特性各不相同。深入研究超聲波在各種不同水文特性中的傳播、衰減、噪聲干擾等基礎技術，才能為超聲波儀器的設計提供正確可靠的數據，才能比較理想的選擇合理的功率、頻率和脈寬，克服盲目性，使超聲波技術在水文測驗中的應用得到進一步提高。

隨著計算機技術的不斷發展，在超聲波測探技術上應順應時代發展趨勢，將其與計算機技術相結合，充分利用微處理機的技術，并逐漸由軟件取代儀器硬件，有利于儀器結構的簡化，并有利于提高探測儀器的可靠性與穩定性。還可以將超聲波測探技術與Zig Bee技術、GPS技術、RS技術等先進技術結合使用。從而取各技術的長處，降低各技術存在的弊端。

在水文監測中應用超聲波測探技術，除了可以測水深和水底地勢外，還應拓展其他領域。如利用超聲波測探技術測量水底的含沙量，利用多普勒法則對水流速度進行測量，對相關的水文儀器進行檢測，還可以用超聲波測探技術對土壤中的含水量進行測量。

6 結束語

對水文進行監測，并測量水深的重要方式之一便是通過超聲波測探技術。同以往的河底指示器進行測量的方式進行比較，利用超聲波進行水文監測具有精度較高、反復測量、并具有實時性的特點，并且超聲波測探技術正日臻成熟，其發展前景十分可觀。但是在運用超聲波測探技術時，應注意將水下探頭水平安裝，并參照鉛魚儀器的中軸線。并且超聲波測探技術目前階段主要適用于含有較少的泥沙、儀器盲區小于水深、水流不過與湍急紊亂的水域，進而取得較好的監測效果。因此對超聲波測探技術應進行逐步完善，從而使該技術可以應用范圍更加廣泛。

參考文獻

[1]陳其升.GPS-RTK技術配合超聲波測深儀在航道水下地形測量中的應用[J].工程技術：文摘版，2016（8）：262.

[2]莫合塔爾·尼扎木丁，阿不都艾則孜·尼扎木丁，王懷江.水文領域現代信息技術的運用[J].黑龍江水利科技，2012（11）：236-237.

[3]楊洪霞.超聲波測深儀和GPS定位系統在二河閘河道觀測中的應用[J].中國科技縱橫，2012（12）：31.

[4]陳曉佳.關于南方超聲波測深儀SDE-28S在某水庫庫盤測量中的應用[J].工程技術：文摘版，2016（10）：92.