声学多普勒流速剖面仪在水文站中的应用

郑念发，邹晓天，高宇峰，李迎春

（吉林省水文水资源局吉林分局，吉林 吉林市 132013）

传统的河流流量测验仪器主要采用的是流速仪，故称为流速仪法。流速仪法广泛应用于人工船测，桥测，缆道，涉水测量等。这种传统的测验方式费工，费时，效率低。

用声学多普勒流速剖面仪进行河流流量测验，是近十几年才发展起来并得到越来越多应用的新的流量测验方法。声学多普勒流速剖面仪流量测验方法的发明，被认为是河流流量测验领域的一次革命。当装备有声学多普勒流速剖面仪的测船从测流断面一侧航行至另一侧时，声学多普勒流速剖面仪即刻测出河流流速分布并算出流量。它比传统的河流流量测验方法提高效率几十倍。它的应用标志着河流流量测验的现代化。声学多普勒流速剖面仪分为走航式声学多普勒流速剖面仪和固定式声学多普勒流速剖面仪。

1 流量测验原理

从理论上讲，声学多普勒流速剖面仪流量测验原理与传统流速仪法相同。声学多普勒流速剖面仪方法和传统流速仪法都将测流断面分成若干子断面，在每个子断面内垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量。再将各个子断面的流量叠加得到整个断面的流量。然而，与传统流速仪相比，声学多普勒流速剖面仪方法有如下不同：

（1）传统流速仪法是静态方法，流速仪是固定在测点的，声学多普勒流速剖面仪方法是动态方法，声学多普勒流速剖面仪在随测船运动过程中进行测验。

（2）应用传统流速仪法时，由于采样费时，通常不可能将子断面划分的很细，垂线流速测量点也不可能很多。而应用声学多普勒流速剖面仪时，由于声学多普勒流速剖面仪采样速率很高，可以将子断面划分的很细，垂线流速测量点也可以很多。

（3）传统流速仪法要求测流断面垂直于河岸。声学多普勒流速剖面仪方法不要求测流断面垂直于河岸。测船航行的轨迹可以是斜线或曲线。

（4）为了计算流量，声学多普勒流速剖面仪在走航中测量如下数据：

①相对流速(由水跟踪测出)。

②船速(由底跟踪测出，或由GPS算出)。

③水深(由河底回波强度测出，类似于回声测深仪)。

④测船航行轨迹 (由船速和计时数据算出，或由GPS测出)。

在进行断面流量测验过程中，声学多普勒流速剖面仪实际测量的区域为断面的中部区域，这个区域称为声学多普勒流速剖面仪实测区。而在4个边缘区域内声学多普勒流速剖面仪不能提供测量数据或有效测量数据。第一个区域靠近水面(表层)，其厚度大约为声学多普勒流速剖面仪换能器入水深度，声学多普勒流速剖面仪盲区，以及单元尺寸一半之和。第二个区域靠近河底，称为旁瓣区。其厚度取决于声学多普勒流速剖面仪声束角。例如对于声束角为20度的声学多普勒流速剖面仪，相应的旁瓣区厚度大约为水深的6%。第3和第4个区域为靠近两侧河岸的区域，因其水深较浅，测量船不能靠近或者声学多普勒流速剖面仪不能保证在垂线上至少有一个或两个有效测量单元。这四个区域通称为非实测区。其流速过流量需通过实测区数据外延来估算。

2 实际应用

2.1 吉林水文站基本概况

吉林水文站始建于1933年，位于吉林市松江中路，是第二松花江干流控制站，控制流域面积44060 km2，防汛位置十分重要。

2.2 实际应用中的注意事项

吉林水文站在实际应用声学多普勒流速剖面仪的过程中，结合仪器使用说明书，逐步摸索出该仪器的使用性能，及应注意的事项：

（1）船速越慢精度越高，一般船速不超过最大流速。如果想得到最佳的测量结果，测船的速度不要大于河水的流速。需要指出，开始时船头要朝着逆流方向航行，在横越河流断面时再慢慢纠正航向，这样可以保持测船的断面航迹到对岸时的流量数据采集。

（2）测量断面的选择仍然应遵照水文调查规范的要求。

（3）在未知河段测量时，应先预测一次，然后将测得的河床深度、形状及流速大小输入到“设置向导”中，以设置合适的测量参数。

（4）对于岸边声学多普勒流速剖面仪不能测验区域的水面距离，必须采用电子测距仪器，测绳，或者其它能够精确测量距离的仪器。在开始及结束(“有效层数”不小于2层)时测量的岸边，船应稍停留片刻，以便获得用于计算岸边流量的10个平均数据。

（5）认真测读换能器吃水深度、仪器离岸边距离，和岸边坡度系数等数据，并将信息及时传输给程序操作人员。

（6）当水深较浅、或漂浮物较多时，应密切观察仪器运行情况，避免采集数据丢失，仪器损坏。

（7）对于流量稳定的河流，至少要进行两个测回（4次）测量，来回各两次。取4次测量的平均值作为实测流量，4次测量值中任一个与平均值之差应小于5%。

2.3 声学多普勒法与流速仪法比测实验

按照“声学多普勒测验规范”的要求和“流速仪法的测验规范”要求同步完成流量测验15次，根据两种不同测验方法的测验结果，经分析得出如下结论：

声学多普勒法与流速仪法比测相对误差，13次控制在3%以内，2次控制在5%以内，其测验精度满足GB50179-93《河道流量测验规范》规定一类精度的水文站高中低水的总随机不确定为5%，6%，9%的要求。通过对比试验，吉林水文站水位在186，30 m左右，流量在320 m3/s左右，水面宽在450 m左右，流速在0.85 m/s时，用流速仪法施测，需要测验人员5人，耗时70 min左右；用声学多普勒流速剖面仪施测，只需3人，耗时35 min左右，用声学多普勒流速剖面仪法比流速仪法大大节省了人力，节省了时间，提高了流量测验的时效性。另外，流速仪法施测流量，需要设立固定的主索钢架，固定的测验断面，对于水深、流速都有约束，而声学多普勒流速剖面仪法却不受环境限制，水深、流速的测量范围都较宽，可以施测超过20 m/s的流速，和最大可达75 m的水深，声学多普勒流速剖面仪可以广泛的应用到“特大洪水”和“突发水事件”的应急流量测验，方便、快捷，提高时效性，还可节省大量的人力物力。

2.4 实际中存在的问题和建议

吉林水文站通过一年多时间学习和使用声学多普勒流速剖面仪，在掌握了其流量测验技能同时，也发现了许多问题，主要表现在以下几个方面；

（1）低水时船速难以小于水流速度，但为了了解仪器性能，分别在实验中特将船速高于水流速度2～3倍。（均匀加速）时所取得的资料的结果表明，还是能达到要求的精度，但必须保证换能器不要露出水面。

（2）在数据回放后，都会自动建立一个新的内容与原始相同的配置文件。

（3）流量测验结果没有最大流速、最大水深等重要水文数据。

（4）施测中，偶有单个数据采集不到，可能是换能器瞬间露出水面引起的。

（5）在一次完整流量测验中，虽然流量能满足要求，但各个测回的面积相差很大，可能是每次航迹不同所致，因此需要在断面两岸分别设置标志，使船舶驾驶员根据标识保持预定断面航行。

[1]GB50179-93.河流流量测验规范[S].

[2]SL337-2006.声学多普勒流量测验规范[S].