走航式多普勒流速剖面儀在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用.docx

1、DOI：10.16616/ki.10-1326/TV.2017.04.017走航式多普勒流速剖面儀在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用(華北電力大學(xué)，北京102206)【摘要】多普勒流速剖面儀(DopplerCurrentProfiler)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(AcousticDopplerCurrentProfiler,AMP)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)?！娟P(guān)鍵詞】聲學(xué)多普勒流速剖

2、面儀；新儀器；比測(cè)試驗(yàn)中圖分類號(hào)：TV123文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2096-0131(2017)04-0051-04ApplicationofunderwayDopplerCurrentProfilerinhydrometryWANGRuohan,LIJiqing(NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)Abstract:DopplerCurrentProfilerisaworld-advanced,quickandeffectivecurrentmeasurementinstrument.Inthepaper,theaco

3、usticDopplercurrentprofileriscomparedwithtraditionalcurrentmeasurementmethodsthroughanalyzingcurrentmeasurementprinciplesofacousticDopplercurrentprofiler.CombinedwithactualcurrentmeasurementofriversinShandongcoastalareathroughDachuangprojects,prominentadvantagesofAcousticDopplerCurrentProfiler(ADCP)

4、arediscussedmainly.RationalapplicationofADPcanprovidescientificbasisforriverdevelopmentgovernance,waterresourcesmanagement,floodcontrolanddisasteralleviationinthefuture.Keywords:ADCP；newinstrument；comparativetest1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。水址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)展河流流最測(cè)驗(yàn),是我國(guó)水資源管理以及防汛抗旱等

5、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(AcousticDopplerCurrentProfiler,®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)

6、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rADCP的突出優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景2ADCP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-斷面時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)迅速測(cè)M出該斷面流ht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，1'12()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ht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1

7、叫波頻率來(lái)測(cè)技流速，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adcpn.先測(cè)依的是沿/$束方向的流速分仙利用聲束的將聲束坐標(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成ADCP坐標(biāo)下的流速分址，繼而通過(guò)羅盤(pán)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)卜的流速分代轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)下的流速分ht。我們使用的ADCP配備有四個(gè)換能器，與ADCP軸線成-定心，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'，顆粒物背離換能器運(yùn)動(dòng)時(shí).換能器接收到的1»1波頻率比發(fā)射波頻率

8、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I。圖1ADCP突測(cè)區(qū)、非實(shí)測(cè)區(qū)、微斷面、單元示意ADCP計(jì)算流ht基于如下公式：。，=(匕K)A&山(1)式中Q,除去岸邊非實(shí)測(cè)區(qū)后.從測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)至測(cè)捻終點(diǎn)的總流bt;匕一測(cè)船航跡斷而某微元處流速矢ht;dz一肅向微元長(zhǎng)度；山時(shí)間微元；V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ht°3ADCP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9600kmAll380萬(wàn)，是黃河三角洲區(qū)域內(nèi)最大的行政區(qū)

9、，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135.4km，。b. 徒駭河源于像仰交界處的聊城市莘縣文明寨村東，自惠民縣淄角鎮(zhèn)尊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.Ikm,流域面積4677.6k

10、m2o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K75.46km中濱州市境內(nèi)流域面積1241.3km2o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)行了流低對(duì)比測(cè)驗(yàn)。3.2ADCP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£要軟件，使用界而截圖見(jiàn)圖2。BBTalk是-種超級(jí)終端軟件，叩以利用I'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)缺前（下水前）都要運(yùn)行BB

11、Talk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2WinRiver軟件使用界面截圖3.3ADCP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)h整個(gè)斷面的流速，也可以同時(shí)瞬間將斷面的流ht測(cè)出，并直接繪出斷面流速航跡

12、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.浪豹大ht的人力。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析.ADCP實(shí)測(cè)流情自測(cè)垂夏偏差最大只有2.9%,ADCP實(shí)測(cè)流量多次(24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。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。時(shí)間斷面位置所在河流流量/3/s)歷時(shí)/分測(cè)驗(yàn)次數(shù)日期時(shí)分ADCP流速儀相對(duì)誤差/%ADCP流速儀節(jié)時(shí)率/

13、%測(cè)驗(yàn)12014年8月22日10：32堡集閘徒駭河10196.84.34154566.72014年8月22日11:26賈家潮河74.373.51.09103066.72014年8月22日13：31白鶴觀閘德惠新河162164-1.22165470.4測(cè)驗(yàn)22014年8月25日11：07堡集閘徒駭河97.698.5-0.91145675.02014年8月25日12：01賈家潮河76.874.53.0983577.12014年8月25日14：29白鶴觀閘德惠新河1491471.36145875.9ADCP與傳統(tǒng)測(cè)流儀流測(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

14、。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)。妙(上接第47頁(yè))八棵樹(shù)站多年平均含沙雖為0.478kg/m3,多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為23.3萬(wàn)t。清河水庫(kù)多年平均含沙量按兩站面積加權(quán)法推求，多年平均懸移質(zhì)年輸沙量按兩站相加再面積比方法推求，則清河水庫(kù)多年平均含沙量為0.632kg/m多年平均懸移質(zhì)年輸沙量50.55萬(wàn)t,多年平均年輸沙模數(shù)為213t/km2°清河水庫(kù)多年平均推移質(zhì)年輸沙量按懸移質(zhì)年輸沙量的15%考慮，則清河水庫(kù)多年平均年總沙敝為58.13萬(wàn)t。#參考文獻(xiàn)1 中華人民共和國(guó)水利部.GB50179-2015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流域測(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河流流址測(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.