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

1、文章編號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驗中的應(yīng)用滿春香，劉陽明，柳恒（松遼委水文局黑龍江上游水文局，黑龍江黑河164300）摘要隨著水文測驗技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)多普勒技術(shù)在流量測驗的應(yīng)用中日趨成熟，文章對應(yīng)用美國SonTek/YSI公司生產(chǎn)的ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀在黑龍江干流進行流量測瞼比測進行了分析，分析確定ADP在黑龍江干流流量測驗的精度，提高了ADP在黑龍江流域流量測驗水平。關(guān)鍵詞走航式；聲學(xué)多普勒流速儀；流量測驗；應(yīng)用分析；黑龍江干流中圖分類號P335+.1文獻標(biāo)識碼A隨著水文測驗技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)多普勒技術(shù)在流量測驗的應(yīng)用中日趨成熟

2、。松遼委水文局黑龍江水文局引進了聲學(xué)多普勒流速儀（以下簡稱ADP）,分別在黑龍江干流的洛古河、上馬廠、卡倫山水文站進行暢流期流量比測分析試驗。通過走航式ADP測流技術(shù)與船載轉(zhuǎn)子式流速儀測量技術(shù)的對比分析，驗證ADP在黑龍江干流上進行流量測驗的精度和推廣應(yīng)用價值。1試驗內(nèi)容與資料收集方法使用ADP和轉(zhuǎn)子式流速儀同時對固定斷面進行流量測驗，通過對測驗成果的比較分析，找出兩種測驗方法的相關(guān)性,探討用走航式ADP代替轉(zhuǎn)子流速儀法測驗的優(yōu)缺點及解決實際應(yīng)用中的疑難問題。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條垂線代表整個斷面,通過施測流速、水深進而獲得斷面流量。走航式ADP測驗方

3、法是將ADP安裝在沖鋒舟特制的固定支架上,ADP利用3個探頭發(fā)射的波束施測剖面流速及水深，利用軟件自動合成流量。2測船性質(zhì)與儀器設(shè)備測船采用鋁質(zhì)3.0mxl.5m的沖鋒舟，行駛便捷。儀器采用美國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、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計算機。該頻率的ADP測量范圍為：測速范圍010m/s、盲區(qū)0.4m、最小單元尺寸0.25m、最小測量深度0.90m、最大測量深度25mo頻率與水深成反比，頻率越高，測到的水深越小。在現(xiàn)場測驗前,先做了底沙運動檢測，確定測驗斷面較為穩(wěn)定，故不需外接GPSo根據(jù)現(xiàn)場測驗情況，在沖鋒舟船弦側(cè)特制一個

4、固定支架，用來安裝固定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)并通過數(shù)據(jù)線與換能器相連,整個安裝體系牢固穩(wěn)定,保證無鐵磁質(zhì)影響。換能器的入水深度，根據(jù)測船的航行速度、水流速度、水面波浪的大小、吃水深度等因素而綜合考慮，使換能器在整個測驗過程中始終不會露出水面。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直接測出，其值為所有有效單元所測流速之平均。.方向分量由下式算出（y方向分量類似）：(1)（5）（6）mQb=ZJ/6+16+1e(Z2一乙)n幾戶1式中：與單元j中所測的方向流速分量。則對應(yīng)

5、于ADP走航測量起點和終點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;？單元長度；單元時間；V"y方向流速分量；V&X方向流速分量。對于岸邊非實測區(qū)域，可以利用經(jīng)驗方法估算流速和流量。岸邊區(qū)域平均流速K的計算公式為:Va=aVm（3）式中Wm起點微斷面（或終點微斷面）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)驗常數(shù)（取6=1/6）。則對應(yīng)于ADP走航測量起點和終點之間斷面的表層流量由下式算出：A/6+16+1“cH加z2mi=l類似地，底層流量由下式算出：AJ+1n1AtDCZXyJm二£【（5-5）虹（乙）&i=14比測數(shù)據(jù)分析4.1水深和平均流速的定點測量比測同時使用ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀測量同一條垂線的“水深”和“平均流速”。兩個儀器同時安裝，并同時采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過對采集的177個樣本進行分析發(fā)現(xiàn)87%的樣本水深誤差不超過±3%,另外13%的樣本水深誤差在±3%±6%,考慮到用鉛魚測深方法的精度為0.1m,這個差值可忽略不計。

7、經(jīng)對177個樣本比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測平均流速實測的對比結(jié)果極其相近，兩者流速比測絕對誤差平均值為0.01m/s,相對系統(tǒng)誤差為-2.8%,其誤差在ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀的測量精度范圍內(nèi)。4.2不同水位級垂線流速比測與分析轉(zhuǎn)子式流速儀法進行流量測驗，垂線流速測點分布采用三點法（0.2,0.6,0.8）。垂線平均流速采用公式Vm=（Vo.2+Vo.6+Vo.8）/3來計算。而用ADP測量的每條垂線多達10個單元以上，而且是將各單元的平均流速和經(jīng)過理論補償而得到的非實測區(qū)流速的平均值來代表整條垂線的平均流速。每個單元的水深為o.25m,在較深的河道最多可實測40多個單元。流速儀法計算得到的垂線平均流

8、速與ADP實測的垂線平均流速之間的誤差，一般在5%以內(nèi)。用ADP所測斷面平均流速與轉(zhuǎn)子式流速儀測驗計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,是一個相關(guān)性較為穩(wěn)定的關(guān)系。4.3不同水位級斷面流最比測與分析采用傳統(tǒng)的船載轉(zhuǎn)子式流速儀法和ADP進行比測，傳統(tǒng)的方法是在固定斷面實測13條測速垂線流速以及起點距，通過計算流速、面積來求得流量。ADP采用走航式在同一斷面施測流量，水邊距離用電子測距儀測量，測量精度為0.5mo岸邊系數(shù)a選用0.70用RiverSurveyor4.31測流軟件操作ADP并計算流量。洛古河水文站部分流量測驗比測數(shù)據(jù)分析，見表1。由表1可知：比測流量誤差

9、均小于±5%,其系統(tǒng)誤差為-1.96%,隨機不確定度為5.92%o兩種測驗方法所得水位流量關(guān)系線圖見圖lo表1洛古河水文站流比測數(shù)值分析衰時間水位/m流速儀流量/mfrADP流量/n?sT絕對誤差/%相對誤差/%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)系線對照圖從圖1可知，兩種測驗方法所測流量相對誤差較小,流量測點分布均勻，單一線關(guān)系良好，只是在高水位94.82m處測點的系統(tǒng)偏差稍大。傳統(tǒng)的

11、測驗只取固定斷面的13條代表垂線的流速和水深來進行流量計算,而ADP則通過測量所經(jīng)過的整個水體各個不同流層的流速以及水深來計算流量，并且是兩個測回的數(shù)據(jù)平均值。因此,ADP所測的水體范圍廣、代表性強、精度更高。ADP與流速儀二者之間存在著很好的相關(guān)性，ADP代替流速儀法進行流量測驗可以保證資料的延續(xù)性。4.4低水位流量測驗的分析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，斷面中間部分測得最小水深為0.93m,此處ADP出現(xiàn)底跟蹤失效，無法測到垂線流速。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，測船體積小很難使船速小于

12、流速，導(dǎo)致底跟蹤失效。對于出現(xiàn)特低水的情況，可以購置頻率更高的ADP,使最小測量深度范圍變大，來滿足測驗需要。5走航式ADP相關(guān)系數(shù)5.1岸邊流速系數(shù)變化與選用因為每次測驗的岸邊起始點都設(shè)在ADP最大限度的測深范圍內(nèi)9此時距岸邊一般在20m以內(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)子式流速儀測驗的經(jīng)驗，岸邊系數(shù)采用0.7。.5.2垂線流速分布與插補模型（慕指數(shù)或常數(shù)）垂線流速表層和底層分布依據(jù)河底情況和以前測驗流速分布情況，確定垂線流速分布插補采用公式（5）,其中經(jīng)驗常數(shù)b取1/6。6結(jié)語1）ADP與轉(zhuǎn)子式流速儀的單次流量測驗相對誤差均小于5%,符合一類精度水文站的測驗要求。而且兩種測驗資料的相關(guān)延續(xù)性較好。走航式ADP作為一種先進的測流儀器可以滿足暢流期測驗的各項需求。2 ）走航式ADP流量測驗一個測回的時間大約需要1520min,3個測驗人員即可完成；而轉(zhuǎn)子式流速儀法的流量測驗需要23h,測驗人員需要6人以上方可完成。使用走航式ADP測驗大大節(jié)省時間、人力、物力和財力。3 ）走航式ADP可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實測數(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，同時可以獲得