河流声学多普勒测流方法

河流声学多普勒测流方法
作者：朱洪戬赵博然
来源：《吉林农业》2014年第01期
摘要：利用声学多普勒原理测量河流的流速是一种高精度测流方法。

与传统的测流方法相比，多普勒测流具有测量精确度好、分辨率高、资料完整、信息量大等优点，适用于复杂河流的流速、流量测量。

关键词：声学多普勒测流；原理；方法
中图分类号：P335文献标识码：A文章编号：1674-0432（2014）-01-60-1
河流声学多普勒测流于20世纪90年代引入我国，广泛应用于气象、农业、水利等许多领域。

声学多普勒测流利用声学多普勒原理测量水流剖面的流速，与传统的测流方法相比，具有测量精度好、时间短、分辨率高、资料完整、信息量大等优点，适用于复杂河流的流速、流量的测量[1]。

1测量原理与方法
声学多普勒测流假定水体流速与水体中颗粒物的运动速度相同，利用多普勒频移测量水流流速。

标准的多普勒测流配有4个换能器。

换能器的作用，一是向水体中发射声波，二是接收被水体反射回来的声波。

当河流中的颗粒物运动方向接近换能器时，换能器接收的反射频率比发射频率高；当河流中的颗粒物的运动方向远离换能器时，换能器接收的反射频率比发射频率低。

这种回波频率与发射频率之间的差值，即为多
普勒频移[2-3]。

2.1相同之处
按照《声学多普勒流量测验规范》的要求[4]，传统测流与多普勒测流在测量方法与基本原理上有相同之处，它们都需要设置测速垂线，每条测速垂线上都要测量河流水深，并且要测量不同水深点的流速，依据不同水深点的流速计算该垂线上的平均流速。

2.2不同之处
传统测流是将流速仪固定在水中不同深度逐点测量。

多普勒测流是在测船移动时，对不同深度点不间断地连续动态测量。

传统测流时的垂线条数受自然条件的制约，一个河流断面只能设置数个垂线，每条垂线上也只能测量数个不同深度的流速。

多普勒测流理论上可以测量无数条垂线及无数个深度的流速。

传统测流的测量断面必须垂直于河岸，多普勒测流可以随机的沿斜线或曲线测量。

传统测流要在风平浪静时测量，多普勒测流则只要根据罗盘和倾斜计指示，
使X-Y-Z坐标系和球坐标系对应方向一致即可施测。

传统测流量程有限，而多普勒测流的测深可达180米。

2.3优点
多普勒测流的优点在于：可以对测量断面进行准同步测量，测量速度快；可以进行三维流速、流向测量；可以自动鉴别测量数据质量，自动消除环境因素的影响；声波传感器适合各种测量环境，不干扰水流；可以为河流输沙率计算测量悬浮物浓度；可以测量河底卵石间的过隙流量。

2.4缺点
多普勒测流的缺点在于：多普勒测流的测量成果需要通过两次测量的平均值来确定；在河流流速大河底走沙时，测量结果可能失真；高含沙量河流声波回波强度衰变化快，可能导致无法测流。

3误差分析
研究人员为了进行多普勒测流的可靠性及误差分析，采用多普勒测流仪进行了反复试验。

试验结果表明：误差均在允许的范围内。

试验的自测变差系数在0.7%～0.9%之间，与传统测流相比相差2.3%～4.5%，试验结果符合《声学多普勒流量测验规范》的要求。

试验证明，作业船速是影响测量精度的重要原因，测量误差与测船船速成反比关系。

测流时应根据河水流速，适当降低测船船速以保障测流精度。

此外，河水的含沙量也是影响流量测验精度客观因素。

4结语
多普勒测流速度快、劳动强度低、数据稳定可靠、精度高，适应于在自然环境复杂、流量大、宽断面的河流进行测流作业。

参考文献
[1]田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M].郑州：黄河水利出版社，2003.
[2]高菲，周根富，姜志成，等.ADCP技术在河流流量测验中的应用[J].江苏水利，2011，161（1）：27-29.
[3]王宪宝，柳艳锋.走航式ADCP与流速仪法流量测验对比分析[J].吉林水利，2010，337（6）：81-83.
[4]中华人民共和国水利部.SL337-2006声学多普勒流量测验规范[S].北京：中国水利水电出版社，2006.
作者简介：朱洪戬，本科学历，吉林省防汛机动抢险队，研究方向：水利防汛技术。