声学多普勒水流剖面仪在河流流量测量中的应用要点

声学多普勒水流剖面仪在河流
流量测量中的应用
姚章民
(珠江水利委员会水文局, 广东广州510611; , 摘要:流量测量是水文部门的一项重要业务工作, 利用声学原理测量是一种先进的测流技术。

、, 为选用关键词:; 原理; 应用
中图分类号:B文章编号:100129235(2002 0520001203收稿日期:2002208229
作者简介:姚章民, 男, 广东潮阳人, 河海大学博士研究生, 主要从事水文水资源技术工作。

河流流量的测量仪器一般有机械式、电磁式和声学式三大类。

近十年来, 声学多普勒水流剖面仪(AcousticDo ppler
CurrentProfiler, 简称ADCP 的发展和应用很快, 其应用是流量测量现代化的一个重要标志。

我国水文系统在20世纪90年代初开始引进国外先进的ADCP 测量设备用于河流的流量测量。

长江水利委员会和珠江水利委员会等单位的水文部门先后引进美国生产的ADCP 测流系统并进行比测试验, 取得一批有分析价值的数据, 为ADCP 在我国的推广应用提供宝贵的经验。

由于ADCP 的价格较昂贵, 拥有此设备的单位只是少数, 且我国现仍未制定有关ADCP 的流量测量规范,ADCP 的应用只限于专项的生产任务。

但可以预见, 由于ADCP 有传统测量仪器无可比拟的优越性, 随着其技术的成熟和价格的降低, 其应用将越来越广泛。

1ADCP 的测流原理及其类型111原理
ADCP 是利用声学多普勒频移效应原理来进行流速测
量的。

多普勒效应原理即声源接通时, 观测者能检测到的声调比原来的高, 反之声源离开时, 声调与速度成正比地降低。

ADCP 一般装备有四个换能器, 每个换能器既是发射器又是
接收器。

测量时换能器定时向水体发射声波, 然后接收来自水体中的浮游物或其他散射体的反散射信号, 发射的声波和反射的声波频率会有一定的差异, 根据多普勒方程:
V =△F d C/2F 0
(1
式中△F d ———声学多普勒频移; F 0———发射频率; C ———
声波在水体中的传播速度; V ———反散射体的运动速度, 即水流的速度。

在实际测流时, 将仪器安装在船上横渡河流, 换能器向
河底发射声波。

通过设定声波发射时间间隔和将水深分成
N 个等深单元,ADCP 分别测得各等深单元的流速。

可以这
样认为,ADCP 的测速是相当于每个单元处都有一台流速仪在测速。

式(1 的流速是水流相对于ADCP 换能器的相对速度, 计算流量时必须将其换算成绝对速度, 同时还需要测定河流的水面宽和水深数据以计算断面面积。

ADCP 所具备的“底跟踪”功能能实现这些要求。

“底跟踪”是指ADCP 按照给定的参数, 换能器按一定的时间间隔发射底部跟踪脉冲信号, 通过接收来自河底的反散射信号, 由此计算出水深和航速, 航速乘以时间即为水面宽。

相对速度和航速的矢量和即为水流的绝对速度。

假定沿L 路径进行走航测量, 可据下式计算流量:
Q =
∫∫
n
(L ・ v (Z ・L d Z d L
(2
式中 n ———单位矢量; v ———流速矢量; Z ———水深; L ———
路径。

这种流量的测量方法, 其本质为横向的积宽和纵向的积深。

在实际运算中, 上式的积分式由部分法代替。

从原理上讲,ADCP 的测流结果与测船的航迹无关, 测船只要从断面的一侧测至另一侧, 无需始终保持直航, 均能采集到精确的流量数据。

112类型
ADCP 测流系统一般由ADCP 、计算机设备和数据处理
软件组成。

如需精确测量流向和定位, 还可连接电罗经和
GPS 。

1. 2. 1根据声学多普勒信号处理方法分
ADCP 可以分为三类:非相干型(窄带型、相干型和宽
32
2002年第6期・PEARLRIVER 人民珠江
带型。

窄带型ADCP 的技术特点是对于每一个流速测量,AD 2
CP 发射一个单独的、相对较长的脉冲声波, 然后接受水体中
颗粒物对这个脉冲的反射波, 并记录发射波与反射波之间的频率改变。

这个频率改变即称为多普勒频移, 用来计算水体的速度。

相干型ADCP 的技术特点是对于每一个流速测量,AD 2
CP 要发射一对较短的脉冲。

ADCP 测量两个反射信号之间
的相位差并据此计算多普勒频移。

宽带型ADC 的技术特点是, 对于每一个流速测量,AD 2
CP 发射的是一组脉冲波, 该脉冲波被反射后与发射波之间
有一相位差, 用其来计算多普勒频移。

1. 2. 2根据ADCP 的用途和安装方式分
, 、河岸边或水面以下, , 用其。

美国一家公司还开发出遥控式的河猫型(RiverCat AD 2
CP 和手持式声学多普勒流速表(ADV 。

河猫型ADCP 非常
轻巧, 将其安装在小双体船上, 操作人员在岸上用遥控装置进行操作, 让双体船横过断面就可测到断面的流量, 此种仪器适应于窄浅的小河流。

ADV 是测量单点流速的, 测量时不需连接电脑, 所测到数据可直接显示在仪器窗口上并储存在仪器中, 可用于浅水测量, 特别适用于过河涉水测流。

2ADCP 测流的优缺点
这里列出的优缺点, 只是相对于传统的方法和常规的仪器测流而言。

211优点
a 大大缩短了完成流量测量所需的时间。

几百米宽的
河流, 按正常航速进行往返测量只需几分钟的时间就能测得流量数据, 能实现快速测流, 尤其适合于抢测洪峰和流量变化较快的潮水河区的流量测量。

b 测量时不扰乱水体流场, 可以采集到整个水体断面
的三维流速数据, 而不是各个分散点的流速数据, 便于了解和分析断面的流速场分布。

c 若河床是稳定的, 因ADCP 能保持底跟踪测量, 测量
时不需要标线或其它定位设备, 船的航迹可以是斜线或曲线, 使用机动灵活。

d ADCP 可以安装在船上, 从而减少了架空缆道的高昂
费用和维护不便的缺点, 又不妨碍河流的通航。

e 一台ADCP 所测得的流量数据相当于多台流速仪的
效果, 因而比常规的多垂线多点法节省大量的人力物力和时间。

212缺点
a 存在盲区。

由于受方法本身及现有技术的限制, 用船
载ADCP 测流存在着盲区, 即仪器无法测到的部分。

仪器本身盲区表现为换能器探头附近某一深度范围水域(一般在
1m 之内及水底范围某一深度范围水域(约占整个断面面积
的15% , 这两部分称为上下盲区, 上盲区还包括仪器入水深这一部分。

走航测验时测船无法进入河流两岸边的浅水区, 这两部分称为左右盲区。

也就是说, 断面的四周是盲区。

因此,ADCP 在水深较浅的河流应用受到限制。

盲区部分的流量可由ADCP 处理软件按某种数学模型进行插补估算, 也可根据实际情况自己建立数学模型计算。

盲区估算流量加入式(2 。

b ADCP 。

高含沙。

在离换能器较, 回波强, 因而。

含沙量的影响程度与ADCP 系统的频率有很大的关系。

系统频率越高, 声波的穿透能力越差, 对含沙量越敏感; 系统的频率越低, 声波的穿透能力越强, 对含沙量越不敏感。

因此, 对于含沙量较高的河流, 应选用频率较低的ADCP 。

但是频率较低的系统其分辨率较低, 不适合较浅的河流。

ADCP 厂家给出的测量范围技术指标是理想条件下的, 选用时要考虑其应用的河流的含沙量。

由于ADCP 对含沙量的敏感性, 使其应用有一定的局限性。

如在我国的黄河, 其应用就受到很大的限制。

c 价格较昂贵。

由于我国还没有完全掌握ADCP 的核
心技术和制造工艺, 还不能生产高质量的ADCP, 现在基本都是依赖进口, 价格较昂贵, 一般每台要几十万元人民币, 一次性投资大。

按目前我国的国情, 很难得到普及应用。

我国水文部门现有的少量ADCP 都是装备大于大江大河的国家重要水文站。

相对于传统流量测量仪器,ADCP 在价格上处于劣势。

3ADCP 的应用
311在长江三峡工程大江截流的应用
1997年11月8日, 举世瞩目的三峡工程顺利地实现大
江截流。

长江委水文局应用了世界上先进的走航式和哨兵型ADCP 进行流量和流速的测量, 为大江截流工程、导流明渠通航、二期围堰施工和调度决策提供了重要的水文实测资料和实时信息, 取得了重大的效益。

走航式ADCP 主要用于大江与导流明渠的分流比测量、导流明渠的流速分布及三峡工程出口控制站黄陵庙水文站的流量测量。

截流期间, 要求每10min 测报一次黄陵庙水文站流量, 每30min 测报一次导流明渠的分流比。

如用常规方法施测,
则存在测船锚定困难、影响通航安全和测量历时较长等问题, 难以满足要求。

此次应用走航式ADCP 与差分
GPS 配套使用成功地解决了这些问题。

哨兵型ADCP 能一次测得一条垂线的流速分布, 其主要用于龙口最大流速位置的搜索。

哨兵型ADCP 能较好地解决龙口水流结构、水流特性等监测难题, 而且能提供大量的数据供分析, 这是其他类型的仪器无法比拟的。

(下转第31页
42
评为南宁市“01・7”抗洪先进集体。

4系统存在的一些问题411遥测站点不足
系统遥测站规划时没有考虑平而、水口、那堪这三个站, 笔者认为是系统的一个欠缺, 原因:①平面、水口这两个站是左江干流龙州站的上游站, 同时也分别是入境(由越南进入我国河—平面、水口河的控制站, 而那堪站则是左江另一干流明江的上游站, 这三个站都是委托站, 报汛手段单一(仅靠有线或无绳电话 , 加上观测员素质问题, 难以保证水情信息的时效性和准确性, 致使龙州、宁明这两个站的预报有一定的难度, 直接影响到下游崇左、南宁两个重要站的预报精度。

建议系统增补平而、水口、那堪这三个站为遥测站。

412缺少流量自动测验项目
时, 需要确知现时流量, 而目前各站提供的流量值多是查线的, 与实测值有一定的误差, 这样会影响洪峰流量的确定。

为了提高洪峰流量预报精度, 建议系统增设流量自动采集项目。

413信息处理与水情预报脱节
目前系统对信息的处理和水情分析预报是分开的, 洪水非常时期仍然满足不了防汛决策所要求的准而快, 因此如何完善系统功能, , 是本系5, 南宁水情自动测报系统将, 为今后的防汛工作发挥更大的作(责任编辑:易理忠
(上接第24页 312在长江口的应用
长江口是一个中型感潮河段。

受潮差、潮型、上游径流、河势边界的影响, 流场边界较为复杂, 流量随时间的变化剧烈。

徐六泾水文断面是长江入海的最后一个水文控制断面, 断面宽近6km 。

以往传统的水文测验手段耗费大量的人力、物力和财力, 且难以取得完整的水文资料。

1993年以来利用ADCP 对该断面进行走航巡测。

测验时机为每个月测三个半日潮, 并按大、中、小三种潮型施测。

ADCP 走测一次历时约13min, 连续测15h 可测出半潮流量过程, 并能推算出涨落潮的潮量和净泄量。

通过近十年ADCP 测验资料的积累, 对该断面的潮流特性有了较全面的了解, 并可据此来研究潮流量的整编方案。

313在珠江口的比测应用
珠江三角洲河网纵横交错, 相互贯通, 分虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门八大口门入海, 构成了“诸河汇集, 八口分流”的水系特征。

珠江三角洲是世界上最复杂的三角洲之一, 水文情势异常复杂。

珠江口的潮汐属不规则的半日周期, 潮差较小, 为弱潮河口。

传统的潮流量测验采用代表线船测, 先通过多船多线验证选定代表性好的位置作为代表线, 在代表线处用流速仪进行全潮流量测验。

由于珠江口的测流断面多而分散, 进行一次同步水文测验要花费大量的人力、物力和财力, 很不经济。

为了探索珠江口测流的新技术手段, 珠江委水文局从美国引进了ADCP 测流系统在八大口门进行一系列的比测试验。

比测方法是:利用GPS 进行断面定位, 船载走航式AD 2
CP 逢正点横渡断面测流; 同时采用多船多垂线法, 应用机械
式流速仪进行六点法精测流速。

比测时机是洪水期和枯水期的不同潮型。

从近年的比测分析可得到的初步结论是:在虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门及崖门等河宽较宽、水深较
深的断面效果较好; 在鸡啼门、虎跳门等河宽较窄、水深较浅的断面效果稍差。

其主要原因是所用的ADCP 频率是600
kHz, 在窄浅河流测量中存在较大的盲区, 估算流量比重偏
大, 造成计算流量结果存在较大的误差。

如对不同大小的断面, 应用不同频率的ADCP, 效果会更好。

总的说, 在珠江口应用ADCP 走航测流代替传统的多船多垂线法验证代表线在技术上是可行的, 在经济上也较合理。

4结语
a ADCP 测流系统在美国等发达国家应用较普遍, 在我
国的应用还是处于起步阶段。

由于国情和河流自然条件的不同, 其在我国的普及还需要一个过程。

b 现阶段要做好引进、吸收和消化的工作, 根据不同河
流水沙特点, 选择型号合适的ADCP 。

c 要抓紧制定ADCP 的水文测验和整编规范, 为其正式
应用于水文测验提供技术依据。

d ADCP 测流有着其他类型仪器无可比拟的优越性, 代
表着流量测量技术的发展方向, 尤其适合大江大河和潮水河区的流量监测。

参考文献:
[1]戴水平, 陈松生, 季学武. 三峡工程大江截流的水文技术[J].水文,1997, (6 .
[2]宋志宏, 田淳. 声学多普勒流速剖面仪在长江口的应用[J].水文,1997, (6 .
[3]水利部长江水利委员会水文局. 水道观测规范[M].北京:中国水利水电出版社,2001.
[4]水利部珠江水利委员会水文水资源勘测中心.ADCP 比测成果报告[R],2002.
[5]黄河宁.ADCP 河流流量测量原理和方法[R],2002.
(责任编辑:李洁莉
13。