水文新儀器在流量測驗中的應用

謝 寧（湖南省水文儀器設備檢測中心，湖南長沙410007）

水文新儀器在流量測驗中的應用

謝 寧（湖南省水文儀器設備檢測中心，湖南長沙410007）

隨著各流域防汛抗洪形勢的不斷變化，很多水利工程的流量測驗中傳統(tǒng)的測流方法已經(jīng)無法滿足要求，必須引進并且采用先進的水文新儀器。而聲學多普勒流速剖面儀作為一種水文新儀器，是一種利用聲學多普勒原理對水流流速剖面進行測量的儀器。本文主要闡述了聲學多普勒流速剖面儀在流量測驗中的應用。

聲學多普勒流速剖面儀；流量；測驗；測速

引言

流量是單位時間內(nèi)流過江河某一橫斷面的水量。流量是反映江河、湖泊、水庫等水體水量變化的基本數(shù)據(jù)，也是河流最重要的水文特征值。傳統(tǒng)流量測驗儀器主要有轉子式流速儀、超聲波測深儀等。如今，越來越多的流量測驗中使用了聲學多普勒流速剖面儀這一種新型水文儀器，這種儀器的使用對于水文測驗作業(yè)來說，是一項革命性的先進技術，將得到越來越廣泛的應用。

1 聲學多普勒流速剖面儀原理和分類

1.1 聲學多普勒流速剖面儀原理

聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱ADCP）是利用聲學多普勒效應進行測流。換能器發(fā)射出一定頻率的脈沖，該脈沖碰到水體中的懸浮物質(zhì)后產(chǎn)生后向散射回波信號，該信號為ADCP所接收。懸浮物質(zhì)隨水流而漂移，使該回波信號的頻率與發(fā)射的頻率之間產(chǎn)生一個頻差，即多普勒頻移。為了測量三維流速，ADCP一般裝備有6個（或7個）聲換能器。每個換能器與ADCP軸線成一定夾角，其軸線即為一個聲束坐標。每個換能器測量的流速是水流沿其聲束坐標方向的速度。通過ADCP上安裝的羅盤和傾斜儀，可以將測得的相對于ADCP坐標系的三維流速轉換成地理坐標下的三維流速。

超聲波水中傳播速度會受到水溫、鹽度的影響；同樣流速會因為水溫和鹽度的改變，而產(chǎn)生不同的多普勒頻移，從而影響測量精度；超聲波傳播距離與超聲波頻率有關，與水中的懸浮顆粒的含量有關；含沙量僅僅吸收聲能，并不改變超聲波的傳播速度和多普勒頻移，所以并不影響測量精度。

1.2 聲學多普勒流速流量剖面儀分類

按水文測流的應用，ADCP可以分為三大類，即走航式多普勒剖面儀、固定式多普勒剖面儀、便攜式多普勒流速儀。

走航式多普勒剖面儀適用于巡測、固定斷面以及突發(fā)事件測流的需要，具有較高的靈活性；

固定式多普勒剖面儀則適用于固定斷面的流量實時在線監(jiān)測；同樣適用于常規(guī)測驗困難、受工程影響的測流斷面；

手持式多普勒流速儀適用于枯期河道、濕地、突發(fā)事件時流量快速測量等，顯示出更大的靈活性和簡便性。

2 ADCP與常規(guī)流速儀的比較

2.1 流速測量

常規(guī)流速儀是單點式測量儀器，無論是用什么原理測流，當它被布放在某一深度層時，都只能測出該層的流速。ADCP是一種“剖面儀”，無論它布放在水面平臺上（如錨系船），或布放在河底，它都能測出該儀器所處位置的垂直剖面，即多個測點，應該稱之為多點測量（即剖面）儀器。在一個垂直剖面上最大的測點數(shù)可達128個。由此看來，布放一臺ADCP相當于垂直懸掛多臺單點測流儀?？梢娖湫适鞘指叩?。

2.2 流量測量

傳統(tǒng)的河流流量測量方法是在測流斷面上布設多條垂線。在每條垂線處測量水深，獲得斷面面積；用流速儀測量一至幾個點的流速，得到垂線平均流速。進而獲得斷面平均流速。流量則由斷面面積和斷面平均流速的乘積得到。這種傳統(tǒng)方法費工費時，效率低。

用ADCP測流量時，ADCP裝在測船上，當測量船從河流某斷面一側航行至另一側時，ADCP馬上測出河流流量。它的效率比傳統(tǒng)方法提高了幾十倍。該儀器的特點是能夠直接測出斷面的流速剖面和流量，測量時不擾動流場，測驗耗時少，測速范圍大，診斷維修方便。

從理論上講，用ADCP進行流量測量的原理與傳統(tǒng)方法的原理是相同的，都是在測流斷面上測出多條垂線的水深和流速，從而計算出流量。但是它們之間存在著很大的差別：

（1）傳統(tǒng)測量法中的“測點”數(shù)有限，一般一個河流斷面只設5～7個測點，每個測點測出3～5個不同深度上的流速；而ADCP在船只航行過程中的采樣率很高，即可以測到非常多的“測點”，而在每“測點”上可以測到幾十個不同深度的流速值，實際上它是用積分的方法求出的，因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量上有了很大的提高。

（2）傳統(tǒng)方法的測流斷面通常要求垂直于河岸；ADCP方法不要求測流斷面垂直于河岸。船只航行的軌跡可以是斜線或曲線，這大大地方便了施測作業(yè)。

3 案例分析

3.1 案例1

黃陵廟水文站是三峽工程的專用水文站，各種先進的水文測驗設備匯集一地，被專家稱為先進儀器設備的試驗基地。其中就有當代最為先進的兩種測流設備——水平式和走航式聲學多普勒流速剖面儀，即ADCP。由于三峽水庫運行調(diào)度頻繁，三峽大壩和葛洲壩兩壩間水位流量變化較大而且快，用傳統(tǒng)的測驗儀器和方式，難以滿足工程的需要。為此，引進并廣泛應用了多種ADCP、GPS等先進設備，為工程及時收集提供水文資料。特別是具有在線實時監(jiān)測流量的水平式ADCP的試運行，為較好解決黃陵廟流量問題創(chuàng)造了條件。采用走航式ADCP實施流量夜測，搶測到了入汛以來的最大流量。

3.2 案例2

2015年6月1日21時30分許，重慶東方輪船公司所屬旅游客船“東方之星”輪在由南京駛往重慶途中，在湖北省監(jiān)利縣大馬洲河段突遇龍卷風發(fā)生翻沉。長江委水文局使用走航式多普勒流速剖面儀（ADCP）展開實時、連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測出沉船水域上游附近的水深及對應的平均流速和最大流速，監(jiān)測到的水文數(shù)據(jù)為一線救援工作提供了有力的技術支撐，發(fā)揮了重要作用。

3.3 案例3

2014年5月湘江湘潭段受19、21日湘潭連續(xù)降雨及上游大范圍降雨影響，湘江湘潭段迎來5月的第二次洪水過程。5月21日23：00起漲，湘潭站水位30.63m，流量3230m3/s，于24日凌晨04：00達到洪峰，洪峰水位34.73m，實測洪峰流量9860m3/s。此次洪水過程，湘江湘潭段水位累計上漲4.10m，未超警戒水位。然而這次洪水尚未完全退去，因24、25日衡陽、株洲和湘潭的數(shù)十個站點的大到暴雨影響，湘江湘潭段又迎來一次新的洪水過程。5月25日06：00起漲，水位34.05m，流量8000m3/s。于26日晚上19：00出現(xiàn)洪峰，洪峰水位36.42m，精測法實測洪峰流量12500m3/s。湘江湘潭段水位累計上漲2.37m，未超警戒水位。傳統(tǒng)測量一直采用老式流速儀測量，一次多線多點的流量測驗時間達7h以上，須4～6人協(xié)作才能完成，而且還要進行后期計算、校核等工序，將一份精測法流量成果報出要8h左右。為測到測好這兩次連續(xù)的洪水漲落過程，本次測量實施ADCP走航式測流12次，測驗時間只需十幾分鐘，同時減少了復雜繁重的人工操作。對水位變化情況實時監(jiān)測，向公眾提供及時、準確的水位變化情況，為防汛部門提供決策和依據(jù)。

4 結語

ADCP的發(fā)明被認為是河流測量領域的一次革命，該儀器是近年來國際上流行的一種新的流速流量測量儀器。根據(jù)統(tǒng)計，到目前為止我國各大流域、交通部下屬單位以及一些大學擁有近200臺ADCP已經(jīng)投入使用，并且取得了良好的效果。相信隨著相關規(guī)范的不斷健全、完善和實施，ADCP將會成為我國河流流量測量中使用的常規(guī)儀器。

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P335

A

2095-2066（2016）24-0028-02

2016-8-10

謝寧，女，工程師，本科，主要從事水文儀器檢測工作。