走航式聲學(xué)多普勒流速儀在黑龍江干流流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用.docx

1、文章編號(hào)1002-0624(2012)01一0063-03走航式聲學(xué)多普勒流速儀在黑龍江干流流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用滿(mǎn)春香，劉陽(yáng)明，柳恒（松遼委水文局黑龍江上游水文局，黑龍江黑河164300）摘要隨著水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)多普勒技術(shù)在流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用中日趨成熟，文章對(duì)應(yīng)用美國(guó)SonTek/YSI公司生產(chǎn)的ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀在黑龍江干流進(jìn)行流量測(cè)瞼比測(cè)進(jìn)行了分析，分析確定ADP在黑龍江干流流量測(cè)驗(yàn)的精度，提高了ADP在黑龍江流域流量測(cè)驗(yàn)水平。關(guān)鍵詞走航式；聲學(xué)多普勒流速儀；流量測(cè)驗(yàn)；應(yīng)用分析；黑龍江干流中圖分類(lèi)號(hào)P335+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A隨著水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)多普勒技術(shù)在流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用中日趨成熟

2、。松遼委水文局黑龍江水文局引進(jìn)了聲學(xué)多普勒流速儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ADP）,分別在黑龍江干流的洛古河、上馬廠(chǎng)、卡倫山水文站進(jìn)行暢流期流量比測(cè)分析試驗(yàn)。通過(guò)走航式ADP測(cè)流技術(shù)與船載轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)量技術(shù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證ADP在黑龍江干流上進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的精度和推廣應(yīng)用價(jià)值。1試驗(yàn)內(nèi)容與資料收集方法使用ADP和轉(zhuǎn)子式流速儀同時(shí)對(duì)固定斷面進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的比較分析，找出兩種測(cè)驗(yàn)方法的相關(guān)性,探討用走航式ADP代替轉(zhuǎn)子流速儀法測(cè)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)及解決實(shí)際應(yīng)用中的疑難問(wèn)題。轉(zhuǎn)子式流速儀法是根據(jù)斷面形狀及流速沿河寬的分布特性，合理用13條垂線(xiàn)代表整個(gè)斷面,通過(guò)施測(cè)流速、水深進(jìn)而獲得斷面流量。走航式ADP測(cè)驗(yàn)方

3、法是將ADP安裝在沖鋒舟特制的固定支架上,ADP利用3個(gè)探頭發(fā)射的波束施測(cè)剖面流速及水深，利用軟件自動(dòng)合成流量。2測(cè)船性質(zhì)與儀器設(shè)備測(cè)船采用鋁質(zhì)3.0mxl.5m的沖鋒舟，行駛便捷。儀器采用美國(guó)SonTek/YSI公司生產(chǎn)的1.5MHZ的mini-ADP套，包括換能器、處理器、電纜線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。該頻率的ADP測(cè)量范圍為：測(cè)速范圍010m/s、盲區(qū)0.4m、最小單元尺寸0.25m、最小測(cè)量深度0.90m、最大測(cè)量深度25mo頻率與水深成反比，頻率越高，測(cè)到的水深越小。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)前,先做了底沙運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，確定測(cè)驗(yàn)斷面較為穩(wěn)定，故不需外接GPSo根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)情況，在沖鋒舟船弦側(cè)特制一個(gè)

4、固定支架，用來(lái)安裝固定ADP的換能器，換能器與船弦的距離為0.50moADP處理器放在船內(nèi)并通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與換能器相連,整個(gè)安裝體系牢固穩(wěn)定,保證無(wú)鐵磁質(zhì)影響。換能器的入水深度，根據(jù)測(cè)船的航行速度、水流速度、水面波浪的大小、吃水深度等因素而綜合考慮，使換能器在整個(gè)測(cè)驗(yàn)過(guò)程中始終不會(huì)露出水面。3走航式ADP流量原理ADP流量由中部平均流量、岸邊估算流量、上下盲區(qū)估算流量組合而成。每一微斷面內(nèi)中部平均流速由ADP直接測(cè)出，其值為所有有效單元所測(cè)流速之平均。.方向分量由下式算出（y方向分量類(lèi)似）：(1)（5）（6）mQb=ZJ/6+16+1e(Z2一乙)n幾戶(hù)1式中：與單元j中所測(cè)的方向流速分量。則對(duì)應(yīng)

5、于ADP走航測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)之間斷面的中部流量：mni=lj=l=£（匕“6廣vM&）l（Z2-4）e（2）i=1式中折單元流量;？單元長(zhǎng)度；單元時(shí)間；V"y方向流速分量；V&X方向流速分量。對(duì)于岸邊非實(shí)測(cè)區(qū)域，可以利用經(jīng)驗(yàn)方法估算流速和流量。岸邊區(qū)域平均流速K的計(jì)算公式為:Va=aVm（3）式中Wm起點(diǎn)微斷面（或終點(diǎn)微斷面）內(nèi)的深度平均流速;a一一岸邊流速系數(shù)。岸邊流量Q州由下式估算：/m3）式中Ma岸邊區(qū)域面積。上下盲區(qū)流量的估算采用帛函數(shù)流速剖面方法：明渠均勻流流速在垂向上的分布可以由以下公式來(lái)表示：與=95式中以離河底高度z處的流速；“*河底摩阻流速;

6、Z。河底粗糙高度;6經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（取6=1/6）。則對(duì)應(yīng)于ADP走航測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)之間斷面的表層流量由下式算出：A/6+16+1“cH加z2mi=l類(lèi)似地，底層流量由下式算出：AJ+1n1AtDCZXyJm二£【（5-5）虹（乙）&i=14比測(cè)數(shù)據(jù)分析4.1水深和平均流速的定點(diǎn)測(cè)量比測(cè)同時(shí)使用ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)量同一條垂線(xiàn)的“水深”和“平均流速”。兩個(gè)儀器同時(shí)安裝，并同時(shí)采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)采集的177個(gè)樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)87%的樣本水深誤差不超過(guò)±3%,另外13%的樣本水深誤差在±3%±6%,考慮到用鉛魚(yú)測(cè)深方法的精度為0.1m,這個(gè)差值可忽略不計(jì)。

7、經(jīng)對(duì)177個(gè)樣本比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測(cè)平均流速實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果極其相近，兩者流速比測(cè)絕對(duì)誤差平均值為0.01m/s,相對(duì)系統(tǒng)誤差為-2.8%,其誤差在ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀的測(cè)量精度范圍內(nèi)。4.2不同水位級(jí)垂線(xiàn)流速比測(cè)與分析轉(zhuǎn)子式流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，垂線(xiàn)流速測(cè)點(diǎn)分布采用三點(diǎn)法（0.2,0.6,0.8）。垂線(xiàn)平均流速采用公式Vm=（Vo.2+Vo.6+Vo.8）/3來(lái)計(jì)算。而用ADP測(cè)量的每條垂線(xiàn)多達(dá)10個(gè)單元以上，而且是將各單元的平均流速和經(jīng)過(guò)理論補(bǔ)償而得到的非實(shí)測(cè)區(qū)流速的平均值來(lái)代表整條垂線(xiàn)的平均流速。每個(gè)單元的水深為o.25m,在較深的河道最多可實(shí)測(cè)40多個(gè)單元。流速儀法計(jì)算得到的垂線(xiàn)平均流

8、速與ADP實(shí)測(cè)的垂線(xiàn)平均流速之間的誤差，一般在5%以?xún)?nèi)。用ADP所測(cè)斷面平均流速與轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)驗(yàn)計(jì)算得到的斷面平均流速之間建立回歸方程，其回歸系數(shù)冷為0.9597,是一個(gè)相關(guān)性較為穩(wěn)定的關(guān)系。4.3不同水位級(jí)斷面流最比測(cè)與分析采用傳統(tǒng)的船載轉(zhuǎn)子式流速儀法和ADP進(jìn)行比測(cè)，傳統(tǒng)的方法是在固定斷面實(shí)測(cè)13條測(cè)速垂線(xiàn)流速以及起點(diǎn)距，通過(guò)計(jì)算流速、面積來(lái)求得流量。ADP采用走航式在同一斷面施測(cè)流量，水邊距離用電子測(cè)距儀測(cè)量，測(cè)量精度為0.5mo岸邊系數(shù)a選用0.70用RiverSurveyor4.31測(cè)流軟件操作ADP并計(jì)算流量。洛古河水文站部分流量測(cè)驗(yàn)比測(cè)數(shù)據(jù)分析，見(jiàn)表1。由表1可知：比測(cè)流量誤差

9、均小于±5%,其系統(tǒng)誤差為-1.96%,隨機(jī)不確定度為5.92%o兩種測(cè)驗(yàn)方法所得水位流量關(guān)系線(xiàn)圖見(jiàn)圖lo表1洛古河水文站流比測(cè)數(shù)值分析衰時(shí)間水位/m流速儀流量/mfrADP流量/n?sT絕對(duì)誤差/%相對(duì)誤差/%6-2192.38906907-1-0.116-3092457-0592.047137196-0.847-1092.00682661213.087-1592.9412801220604.687-1794.1223102270401.737-2094.82299028601304.357-2393.9621002130-30-1.437-2493.66

10607-2593.4416601650100.607-2593.2615401530100.657-2892.8112001160403.287-2992.6311001070302.738-0691.84627598294.6395.00L94.5094.00.£93.50-關(guān)93.00-X92.5092.00一X91.5011111J1C500100015002000250030003500流量/n?$T圖1水位流關(guān)系線(xiàn)對(duì)照?qǐng)D從圖1可知，兩種測(cè)驗(yàn)方法所測(cè)流量相對(duì)誤差較小,流量測(cè)點(diǎn)分布均勻，單一線(xiàn)關(guān)系良好，只是在高水位94.82m處測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)偏差稍大。傳統(tǒng)的

11、測(cè)驗(yàn)只取固定斷面的13條代表垂線(xiàn)的流速和水深來(lái)進(jìn)行流量計(jì)算,而ADP則通過(guò)測(cè)量所經(jīng)過(guò)的整個(gè)水體各個(gè)不同流層的流速以及水深來(lái)計(jì)算流量，并且是兩個(gè)測(cè)回的數(shù)據(jù)平均值。因此,ADP所測(cè)的水體范圍廣、代表性強(qiáng)、精度更高。ADP與流速儀二者之間存在著很好的相關(guān)性，ADP代替流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)可以保證資料的延續(xù)性。4.4低水位流量測(cè)驗(yàn)的分析2007年8月19日洛古河站水位為91.66m,為暢流期低水位。洛古河站斷面河槽呈W形，斷面中間部分測(cè)得最小水深為0.93m,此處ADP出現(xiàn)底跟蹤失效，無(wú)法測(cè)到垂線(xiàn)流速。究其原因水深已接近ADP所能適用的最小水深0.90m,加之淺灘邊緣水流較急，測(cè)船體積小很難使船速小于

12、流速，導(dǎo)致底跟蹤失效。對(duì)于出現(xiàn)特低水的情況，可以購(gòu)置頻率更高的ADP,使最小測(cè)量深度范圍變大，來(lái)滿(mǎn)足測(cè)驗(yàn)需要。5走航式ADP相關(guān)系數(shù)5.1岸邊流速系數(shù)變化與選用因?yàn)槊看螠y(cè)驗(yàn)的岸邊起始點(diǎn)都設(shè)在ADP最大限度的測(cè)深范圍內(nèi)9此時(shí)距岸邊一般在20m以?xún)?nèi)，岸邊區(qū)的形狀基本上為水深均勻變淺的斜坡岸邊。根據(jù)岸邊系數(shù)和斷面形狀，結(jié)合轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，岸邊系數(shù)采用0.7。.5.2垂線(xiàn)流速分布與插補(bǔ)模型（慕指數(shù)或常數(shù)）垂線(xiàn)流速表層和底層分布依據(jù)河底情況和以前測(cè)驗(yàn)流速分布情況，確定垂線(xiàn)流速分布插補(bǔ)采用公式（5）,其中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)b取1/6。6結(jié)語(yǔ)1）ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀的單次流量測(cè)驗(yàn)相對(duì)誤差均小于5%,符合一類(lèi)精度水文站的測(cè)驗(yàn)要求。而且兩種測(cè)驗(yàn)資料的相關(guān)延續(xù)性較好。走航式ADP作為一種先進(jìn)的測(cè)流儀器可以滿(mǎn)足暢流期測(cè)驗(yàn)的各項(xiàng)需求。2 ）走航式ADP流量測(cè)驗(yàn)一個(gè)測(cè)回的時(shí)間大約需要1520min,3個(gè)測(cè)驗(yàn)人員即可完成；而轉(zhuǎn)子式流速儀法的流量測(cè)驗(yàn)需要23h,測(cè)驗(yàn)人員需要6人以上方可完成。使用走航式ADP測(cè)驗(yàn)大大節(jié)省時(shí)間、人力、物力和財(cái)力。3 ）走航式ADP可采用無(wú)線(xiàn)遙控方式施測(cè)，控制和記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的技術(shù)人員可以在室內(nèi)完成，不必受天氣等其它因素的影響，同時(shí)可以獲得