声学多普勒流速剖面评价方法介绍与探讨

赵 越，英小勇

（水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

声学多普勒流速剖面仪（简称剖面仪）是 20 世纪 80 年代初发展起来的一种新型测流设备。它利用多普勒效应原理进行流速测量，用声波换能器作传感器，并发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物或气泡等反散射体反射，再由换能器接收信号，经测定多普勒频移变化而测算出流速。剖面仪具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大并能直接测出断面的流速剖面等特点。目前被广泛用于海洋和河口的流场结构调查、流速及流量测验。

目前，国内仅水文系统就有接近 300 台剖面仪测流设备在各个水文测验现场使用。然而尽管应用广泛，但是目前行业内尚无可广泛被接受的用于剖面仪检定或校准的相关产品检定规程及标准，也无国家或行业行政部门认定/认可的标准测试平台和检定设备。由于剖面仪的工作原理及测量特点与传统测流仪器存在较大的差异，因此不能简单采用过去点流速仪的检验/校准方法来全面评价剖面仪。本文通过介绍目前国外采用的一些剖面仪评价方法，探讨国内利用流速仪检定水槽来检定剖面仪测流设备的校准方法的可行性。

1 剖面仪的主要评价方法

1.1 设备比测

比测是被测仪器与其它更精确的检定工具同时或接近同时进行比较测量。美国地质调查局（USGS）的洛曼[1]（1994，USGS），佛加瑞、特罗布里奇（1998，USGS）进行过剖面仪与 ADV（超声多普勒流速仪）、LDV（激光多普勒流速仪）的比测试验。通过试验发现剖面仪与 ADV、LDV 的误差在 1 % 之内。奈斯特（2002，USGS）在 1 条宽 1.8 m、深 0.9 m 的动水槽的实验结果证明，剖面仪测速相对 ADV 测量结果误差不大于 1 cm/s。

这种试验方法的优点是水槽中流速和其它相关量较精确，但存在悬浮物不足导致反射强度较弱，同时存在槽底及槽壁反射问题，可能导致错误的测量结果。虽然流速可准确调节，但由于水深限制很难获得较高速度的测试条件。

1.2 底跟踪基线比测

阿普尔（1988，USGS）在湖面布置一固定基线进行剖面仪测试，分别设置 200、1000 m 等 2 条路线。将剖面仪架设于船体匀速定向 2 次往复测试。通过剖面仪底跟踪测量数据与已知距离的比较判断剖面仪测量误差。这种方法可迅速判断现场应用的剖面仪是否存在偏差，通常用于剖面仪生产厂家检查声束对中误差。

1.3 断面流量比测

USGS 已经对剖面仪与已有设备如 Price AA 型转子式流速仪在美国 11 处断面进行流量比测，通过测验表明剖面仪测验相对 Price AA 型转子式流速仪有着 5 % 的误差[2]。我国各水文测验单位也进行过多次类似比测试验，如 2001年5 月在嘉兴市青阳汇水文站感潮河段的测流断面进行了固定式水平 ADCP 与传统的转子式流速仪的同步比测试验工作。采用 “淘金者”－SL 测得的层平均流速，与用缆道的测流代表垂线实测的垂线平均流速进行比测。经过 7 d 的试验，将近 1000 测次比测的数据进行回归分析后，其结论是：2 者之间误差小于 10 % 的上线率达到 85 % 以上，符合水文测验规范的要求。

断面流量比测因采样面积存在差异：转子式流速仪测流采样面积不超过 3 %，而剖面仪采样面积 20 %～60 %，2 者相差悬殊，流量测验结果的比较具有不确定性。2 者测验时间也有明显差异，剖面仪与转子式流速仪断面测验时间不同，常常因为 2 者测验时间的不同导致流量测量结果千差万别。

2 美国 USGS 利用静水槽评价剖面仪的方法

USGS 与南佛罗里达水资源管理局在美国海军戴维泰勒水面战实验中心船舶模型试验水池进行剖面仪检定试验。美国国家海洋大气局定期使用该船舶模型试验水池校准剖面仪。USGS 于 2000年3月13～16日使用该水槽评价剖面仪，USGS 通过该试验达到以较低的成本确保 USGS 流量测验业务质量水平的目的。

2.1 戴维泰勒模型水槽

戴维泰勒船舶模型水槽试验水池拥有 2 个拖曳水池，其中 1 条长 760 m，宽 15 m，深 5.5 m。该水池已经被分成 2 段，1 段长 260 m，另 1 段长约 500 m。这次试验是在 260 m 长的水池中进行的。

2.2 试验方案

试验程序由以下 4 部分组成：

1）在校正车上架设剖面仪；

2）水槽中均匀播撒粉末石灰粉；

3）校正车每次正反行程运行，抵消水槽中紊流的影响；

4）将剖面仪测量值与检测车速值同时存入计算机。

2.3 试验过程

在水槽中测试剖面仪，水体中必须有足够的反射物质，如果反射物质浓度不足（反射强度小于 35 db）或反射物质浓度分布不匀，都会带来显著误差。在试验期间，每天都在校正车上播撒石灰粉末以提供适当的反射物质，后期采用石灰浆喷雾方法进行相关试验[3]。

共有 5 台剖面仪参与了本次戴维泰勒模型试验池的试验。具体型号规格为：SonTek3 Argonaut SL ADP（3 MHz）、SonTek ADP、RD Instruments Rio Grande 剖面仪（600 kHz）、RD Instruments Broadband 剖面仪（1200 kHz）和 RD Instruments生产的 prototype 3-beam horizontal 剖面仪（600 kHz）。试验中获得 2 个测量参数即水层跟踪和底跟踪速度。

2.4 实验结果

校验车平均车速，包括正行程和反行程平均车速，实验数据表见表1。在 41 cm/s 车速下，1200 kHz逆向运行未获得有效数据，所以本次测量只有正向运行数据。

表1 戴维泰勒模型试验池试验数据表

校正车车速与剖面仪底跟踪速度的平均差为- 0.21 cm/s，校正车车速与剖面仪水跟踪速度的平均差为 - 0.15 cm/s。底跟踪和水跟踪各自的平均差为 - 0.76 % 和 - 0.70 %。这些测量结果接近剖面仪的预期误差。通过实验发现剖面仪测速值均小于车速值，从上述检定结果看来该系统可有效评价剖面仪。

有趣的是，600 kHz 的剖面仪底跟踪速度平均差为 -0.62 cm/s，而水跟踪平均差为 0。正常的测量结果应当是底跟踪测量结果精度要高于水跟踪。其误差并没有随速度增加而增加。

虽然测试结果比较理想，但是仍存在以下问题：

1）拖曳水槽中大量的金属结构导致测量偏差，通过数据分析，电子罗盘存在明显的扰动；

2）侧壁（槽底、槽壁）存在明显反射，这可能导致底跟踪的测量误差；

3）最重要的是反射信号的时间空间的不均匀性。背景反射从 43 ～52 db，而一般的河流测量结果在背景反射测量结果差异不大于 3 db。

3 利用国内现有流速仪检定水槽评价剖面仪的方法

为完成剖面仪评价工作，国内技术机构先后在陕西和山东的水文局水槽进行了剖面仪底跟踪测试试验，取得一定测试数据。目前国内已有流速仪检定水槽 11 条，利用现有条件完成对剖面仪的评价，水槽宽度、深度均劣于美国海军戴维泰勒水面战实验中心船舶模型试验水池。若想获得更好的检定效果，可针对 USGS 经验优化设计实验方案。

3.1 消除侧壁反射和背景反射差异

可参考消声水池在水槽侧壁布设吸音橡胶。采用合适散射物质，提高剖面仪反射信号的时间空间的均匀性。橡胶是一种粘弹性高分子材料，内耗相对较大，基体橡胶的相对分子质量分布可调，能适应各种频率声波的吸收。橡胶材料的吸声率与声波的频率有明显关系。吸声橡胶圆锥是水声工程用消声水池和循环水槽的重要组成部分，主要用于消除水槽壁、水面的水声反射，以便提高声场的分布均匀性和稳定性，减小声测量的系统误差。目前，德国采用石墨填充聚己丁烯制备水声消声材料；日本采用红松木制作吸声尖劈；美国采用铝粉填充 IIR 制备吸声橡胶圆锥池。基于成本的因素流速仪检定水槽不可能全槽布设吸引橡胶，但可在有效检定段部分布设。

3.2 提高水槽反射强度

国内目前提高水槽反射强度的办法与 USGS 基本相似，即加入石灰或石灰浆，但这种办法存在着以下弊端：

1）加入石灰后水体呈碱性，且含有大量颗粒物；水槽中添加石灰后，整池水均需更换，且需对槽体进行清洁处理。

2）加入石灰汾或石灰水，颗粒均匀性差，且随时间变化，其不同水层浓度也随之变化。

为了克服以上缺点，可采用气泡作为超声波反射物质。

基于瑞利散射原理可知后向散射强度（Sv）为：

式中：Csm为悬浮物浓度；k 为剖面仪仅发射声波的波数；‹ a3› 为悬浮物粒径 3 次方的均方根；ρs为悬浮物密度；γ定义为物质常数，是颗粒物弹性和密度的函数。

假设观测期间悬浮物的粒径、密度及其他物理性质保持稳定，体积后向散射强度与悬浮物浓度的对数成线性关系。由式（1）可知将水槽中悬浮物浓度稳定提高较高水平即 ADCP 反射信号空间与时间上均匀性。

剖面仪所能探测到的悬浮物的粒径有上限，超过上限测量误差将增长；另一方面，不同发射频率的剖面仪对悬浮物粒径的敏感程度也不一样，一般认为剖面仪对 kaS（散射体半径与入射声波波数比值）值在 0.01～0.10，所对应的悬浮颗粒物粒径具有较强的敏感性[4]，在此范围内颗粒直径越大，剖面仪测量敏感度越高。对于本次观测使用的 600 kHz 剖面仪当 kaS等于 1 时，其对应的悬浮物粒径为 800 μm，所以对该频率剖面仪所能探测到的气泡直径以 8～80 μm 为宜。通过在水槽槽底、侧壁布置气管的方式产生均匀及细密的气泡，提供足够的反射物质。

以上均基于瑞利长波散射模型理论推导，通过改变气泡密度、浓度、直径等要素可获得剖面仪与以上要素的敏感关系，可为开展剖面仪检定工作打下良好基础。

4 结语

通过 USGS 的大量实践，可初步确定利用水文现有的技术手段可以有效评价剖面仪的流速性能，面对我国水文领域剖面仪日益广泛应用的局面，有必要在我国现有水文基础设和技术手段条件下探索合理、高效的剖面仪评价方法。除了目前广泛开展的断面流量比测方法外，还可通过设施改造和试验方法研究利用国内现有流速仪检定水槽评价剖面仪流速性能。

[1]Lohrmann, A., Cabrera. R., and Kraus, N.C. Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV) for laboratory use[C ]//Conf. On Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measurements and Experimentation. NY: ASCE, 1994: 351-365.

[2]Mueller, D.S.Field Assessment of Acoustic Doppler Based Discharge Measurements[C]//USGS;Proc. Hydraulic Measurements & Experimental Methods 2002. Estes Park,CO, ASCE, 2002: 374-381.

[3]Shih H. H., Payton C., Sprenke J., and Mero T.Towing Basin Speed Calibration of Acoustic Doppler Current Profiling Instruments[C]//USGS; Proc. 2000 Joint Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning and Management, Minneapolis,MN, ASCE, 2000.

[4]原野，赵亮，魏皓，等. 利用剖面仪和LISST-100仪观测悬浮物浓度的研究[J]. 海洋学报，2008, 30(3): 48-52.