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现场水文观测
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

声学多普勒流速剖面仪在河流水文测验中的应用

林辉勇

 

一、 引 言
    河流水文测验作业中,流速和流量的测量是两项很重要的作业。过去,水文工作者大量使用单点式流速仪(如机械式流速仪、电接式流速仪等)测量流速;现在,他们手中增加了一种先进的测流仪——声学多普勒测流剖面仪,它对于水文测验工作来说,确实是一项革命性的先进技术,相信在不久的将来,它会获得十分广泛的应用。

二、什么是声学多普勒流速剖面仪
    声学多普勒流速剖面仪英文简称ADCP,即Acoustic Doppler Current Profiler,它是由美国RDI公司于20世纪80年代研制出来的新仪器。
    ADCP利用声学多普勒效应进行测流。换能器发射出一定频率的脉冲,该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号,该信号为ADCP所接收。悬浮物质随流而漂移,使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差,即多普勒频移。
    为了测量三维流速,ADCP一般装备有4个(或3个)声换能器。每个换能器与ADCP轴线成一定夹角,其轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。通过ADCP上安装的罗盘和倾斜仪,可以将测得的相对于ADCP坐标系的三维流速转换成地理坐标下的三维流速。
    对于河流水文检测作业来说,ADCP可以有两种安装方式和应用,一种是安装在固定平台上(如河底或水面平台),进行定点垂线流速分层测量。另一种是安装在移动平台上(如调查船上),进行走航流速剖面测量。这时测得的“速度”是船舶航速和水流流速的矢量和,必须把船速从这一矢量和中除去,才能获得真正的流速。为此,必须采用“底跟踪”技术。所谓底跟踪是指ADCP通过接收和处理河底的回波信号跟踪船只相对于河底的运动速度(即船速),测得这一速度即可轻易地获得流速真实值。

三、ADCP与常规流速仪的比较
    1.流速测量
    常规流速仪是单点式测量仪器,无论是用什么原理测流,当它被布放在某一深度层时,都只能测出该层的流速。
    ADCP是一种“剖面仪”,无论它布放在水面平台上(如锚系船),或布放在河底,它都能测出该仪器所处位置的垂直剖面,即多个测点,应该称之为多点测量(即剖面)仪器。在一个垂直剖面上最大的测点数可达128个。
    由此看来,布放一台ADCP相当于垂直悬挂多台(可多达128台)单点测流仪。可见其效率是十分高的。

应用实例:
    三峡大坝一期截流工程中,长委三峡局在龙口处布放了一条锚系的双体船,船上装有一台直读式ADCP(见图1),对龙口处垂直剖面的流场进行实时监测,每10~30分钟向指挥部通报一次该处流场、流态等水文信息,共完成流速分布数据424次,测得最大流速为4.22m/s,为施工时抛投料块、抛填方式的选择提供了重要的科学依据。长委水文局原局长季学武说:“葛洲坝合龙时,由于用老式测流仪在龙口处测流,不能获得整个剖面的流场情况,给抛填工作带来很大的困难;这次用了ADCP,我们对流场心中有数,指挥得当,抛填工作进行得很顺利。看来新技术确实带来了效益。”

    2.流量测量
    传统的河流流量测量方法是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线处测量水深,获得断面面积;用流速仪测量一至几个点的流速,得到垂线平均流速。进而获得断面平均流速。流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。这种传统方法费工费时,效率低。
    用ADCP测流量时,ADCP装在测船上,当测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时,ADCP马上测出河流流量。它的效率比传统方法提高了几十倍。该仪器的特点是能够直接测出断面的流速剖面和流量,测量时不扰动流场,测验耗时少,测速范围大,诊断维修方便。
    从理论上讲,用ADCP进行流量测量的原理与传统方法的原理是相同的,都是在测流断面上测出多条垂线的水深和流速,从而计算出流量。但是它们之间存在着很大的差别:

    1 传统测量法中的“测点”数有限

    一般一个河流断面只设5~7个测点,每个测点测出3~5个不同深度上的流速;而ADCP在船只航行过程中的采样率很高,即可以测到非常多的“测点”,而在每“测点”上可以测到几十个不同深度的流速值,实际上它是用积分的方法求出的,因此在数据质量上有了很大的提高。

    2 传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸
     ADCP方法不要求测流断面垂直于河岸。船只航行的轨迹可以是斜线或曲线,这大大地方便了施测作业。

    应用实例1:长江口潮汐河段潮流测验
    长委水文局1990年底引进了第一套ADCP,1991年即投入长江河口潮汐河段的潮流测验。长江河口属中等强度的潮汐河口,潮流性质为非正规半日潮。长江口地区的徐六泾水文站在建站初期,采用常规方法进行潮水文测验工作,每年只能以全潮方式安排几次代表潮测验,安排一次代表潮测验需要最少7条船多船组同步作业,一次全潮测验需半个月时间,耗费大量人力物力财力,一旦测验期间天气情况发生变化,出现大风大浪,测验即被迫中断,所有工作即告报废。而且,每年几次有限的代表潮,资料无法进行整编,影响资料的使用。ADCP完成一次断面流量测验只需几十分钟,不需多船同步作业,因此可利用ADCP每月安排一定测次的半日代表潮。一次半日代表潮仅需13h左右,受天气条件的制约较少;而且由于测次较多,结合长江口潮流测验平台长期连续自记资料,可进行资料整编,有利于资料的利用。目前长江口ADCP每月完成二次半日代表潮测验,同时还完成长江口地区其他测验断面以及南北支分流比测验工作。

    应用实例2:大江截流流量测验
    长江三峡大江截流流量测验,以ADCP为主要测验技术手段(见图2)。截流期间,走航式ADCP主要用于大江与导流明渠的分流比测验、导流明渠的流速分布测验以及三峡工程出口控制站流量测验;总共完成267次流量测验资料,取得的一些测验成果是常规水文测验所无法得到的。
 

    应用实例3:湘江汛期流量测验
    据湘潭水文局报道,2003年5月18日,在水位已达40.81m高危水位的情况下,使用ADCP进行流量测验,该报道称:传统测量一直采用老式“LS25-1型”流速仪测量,一次多线多点的流量测验时间达7h以上,须4~6人协作才能完成,而且还要进行后期计算、校核等工序,将一份精测法流量成果报出要8h左右;采用ADCP测量仪后,测验时间只需十几分钟,同时减少了复杂繁重的人工操作,而ADCP测量都是自动完成,并由电脑及时输出各种水文数据,绘制出断面图等水文特征值,不但精度高,还减少了劳动强度,提高了工作效率。在湘江首次洪水过程测报中“ADCP”发挥了重要作用,为各级政府和防汛指挥部门提供了准确及时的水文信息100余份,为湘江流域及洞庭湖区的抗洪抢险提供了科学的决策依据。

四、ADCP的发展
    随着技术水平的提高,ADCP从重量上、性能上都有了很大的改进,价格也越来越低,越来越为用户所接受。
    现在普遍用于流量测验的ADCP的型号是“瑞江牌”ADCP,图2所示的设备与图3所示的产品属同一频率、同一功能的ADCP,但瑞江牌的体积减少了3/4,重量降低了70%,价格降低了60%。
    对于没有测量船的用户,还有一种带无线电通信的ADCP可供选用,这种设备可以安装在小型遥控船上,可进行同样的测验。
    运行Window软件的“瑞江牌”ADCP操作十分方便,在测量的过程中,流速、流向、流量、河流断面等参数清晰地在计算机屏幕上显示出来,非常直观;同时实测数据都储存在计算机中,可以进行各种必要的后处理作业。

五、ADCP应用前景
    迄今为止国内各大流域、交通部下属单位以及一些大学已拥有100多台美国RDI公司生产的ADCP,并已投入使用,效果甚好。
    目前长委水文局正在编制ADCP测流规范,相信随着该规范的正式实施,ADCP将成为我国河流流量测量的常规仪器。

(作者单位:美国劳雷工业公司)
 
  来源:《中国水利》2003-9B刊    2004年7月15日  
 

 

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