声学多普勒流速仪在封冻期流量测验关键技术探索

刘阳明，李加伟，吴高庄

（松辽委黑龙江水文水资源勘测局，黑龙江 黑河 163400）

近年来，声学多普勒流速仪在畅流期水文测验中已广泛使用，而在封冻期流量测验的应用则受到地域和气候的限制，基本尚未开展。为适应水文现代化要求，减少封冻期流量测验劳动强度，提高测验精度,首次将声学多普勒技术应用到封冻期河流流量测验中。于2007，2008年冬季及2009年春季期间，在黑龙江干流卡伦山水文站进行了ADP与机械旋浆式流速仪封冻期流量比测实验。结合实际操作中遇到的问题以及 《声学多普勒流量测验规范》中未对封冻期流量测验做出规定的方面，提出针对性的建议和措施，进而提高声学多普勒流速仪在封冻期河流的流量测验精度，促进了声学多普勒技术应用范围的拓展。

1 断面磁方向校正

在使用ADP进行冰期流量测验前，需做一次断面磁方向标定，来确定河道流量测验的断面线。如果ADP磁罗经出现问题或在外部磁场干扰下进行ADP标定断面方向时，会影响到ADP流量测验的精度。在测验过程中需使用外带罗经进行断面磁方向校对，误差应小于2°。如果磁方向角大于2°，应及时对ADP换能器进行罗盘校正，并按《ADP仪器操作手册》中的方法对仪器进行罗盘校正。

ADP进行断面磁方向标定时，由于ADP方向箭头很小而且还在仪器换能器的下面，这样现场标定箭头与断面线是否在一直线时，本身就存在不可避免的误差，需标定3～5次，取其均值作为断面方向数值来减小误差。

2 ADP单条垂线测验历时分析确定

减小ADP流量测验历时并能保证流量测验精度，主要取决于ADP进行单条垂线水深和流速测量时间。通过对只结冰的垂线、既结冰又有冰花的垂线、 有两层冰的垂线在 20，40，60，80，100，120，150，200s以及300s的时间内测量的水深和流速，分析其在历时最短又能保证水深和流速的稳定性和准确性。

（1）测深历时分析。采用每间隔5s测量一次垂线水深，连续累积300s（图1），测试水流变化和河底河床的稳定性。采用在300s内每间隔5s测量一次垂线平均水深，并连续累积计算平均水深（图2）。实测分析出在最短时间内水深趋于稳定，且接近真实的水深。

通过图1，2和可以看出测验历时在30s后垂线平均水深趋于稳定。

（2）测速历时分析。采用每间隔5s测量一次垂线平均流速度连续累积300s，测试水流脉动的周期和频率。采用历时300s内每间隔5s测量一次垂线平均流速度，连续累积计算垂线平均流速。

通过实测数据分析，测验历时在100s后垂线平均流速实测值趋于稳定，但由于可能受冰孔围周冰厚不均匀、冰花分布不均匀、冰钻车打孔后破坏了垂线的冰厚和冰花的自然分布等因素影响，垂线测验历时还需延长。在120s与300s内计算的垂线平均流速基本相等，最大误差不大于3%，这说明历时120s内实测的垂线平均流速能够反映出当时垂线平均流速情况，满足《河流流量测验规范》要求。冰期ADP垂线流速和水深的测验历时为120s，如遇到特殊情况，包括河道冰情变化、时间限制、特殊水情等，垂线流速和水深的测验历时不应小于100s。

3 ADP垂线测量时换能器位置的选择及冰花处理

ADP进行垂线测量时换能器的入水深度和所在冰孔冰厚的位置对实测垂线平均流速有直接的影响。为此在现场进行了多次比测实验。

ADP换能器发射声波信号的部件沿主轴向外侧倾斜25°，当ADP的换能器放在水面与冰底部之间时，换能器发射的声波反射回ADP换能器。接收过程中受到冰厚的影响，声波发生了变化，不能够接收到有效信号，严重影响了实测水深和流速的有效性，因此应将ADP换能器放到冰底部5～15cm处，从所测得的流速相对稳定，与机械流速仪测量值相对接近。

遇到有冰花的冰孔，当ADP换能器放在冰底，所发出的声波通过冰水混合时，改变了声波的波长，使ADP换能器不能接到原波长的声波，故将无法测到水深和流速，应将声学多普勒流速仪放到冰花以下5～15cm处。对于有2层冰的冰孔，应将ADP换能器应放到二层冰下10cm处。

ADP探头放在距冰底距离较近时，探头附近周围的冰厚有可能高于探头底部。ADP在实测过程中，第一个受噪音影响的速度点的速度值小于等于零，这样使顶部插补的曲线为零值的直线，测得的垂线平均流速也为0。因此探头应放在冰孔底部以下10cm处。

换能器放到冰孔的冰花下面，与实际旋浆式流速仪的实测结果是相同的。应将ADP探头放在第三点流速的下面，不然就会出现有效水深变大，拟合的垂线流速曲线与实际情况不符，垂线平均流速变小。

4 概化外延垂线流速分布幂指数计算方法

4.1 概化垂线流速分布幂指数模型

ADP使用RiverSurveyor软件采集垂线120s数据，并将数据储存到一个独立的测量文件中，并以每0.25m为一个采样单元对速度剖面进行垂直积分，对每个采样单元进行平均，得到垂线的平均流速。ADP在进行垂线测量过程中，实际测量的区域为断面的中部区域 （中层），这个区域称为ADP实测区。而在垂线上下两个边缘区域内，ADP由于受方法及现有技术的限制，不能提供测量数据或有效测量数据，因此存在上下两个盲区。

第一个区域是靠近水面（表层）的盲区，由于换能器由发射状态转换为接收状态时，需要一个时段，而在该时段内，换能器附近水域的反射信号已经返回，换能器来不及接收这些信息，且由于受冰层的漫反射影响而造成噪声较大，声波检测失真，因此形成了表层盲区，其厚度大约为从冰底到换能器底部及垂线第一个单元厚度之和，约为35cm。第二个区域是靠近河底（底层）的盲区，称为“旁瓣区”（河底对声束的干扰区）。由于受河底漫反射影响而造成噪声较大，声波检测失真，盲区厚度取决于ADP声束角，即换能器与ADP轴线的夹角。两部分盲区其流速需要通过实测区数据外延来估算，均采用概化垂线流速分布幂指数模型插补盲区流速曲线分布。根据不同水位级精测法测点流速资料，采用概化指数流速分布公式求得：

式中 uη—某相对水深η处的测点流速；umax—垂线上最大测点流速，一般用垂线有效水深0.5位置点流速代替；η—相对水深，为Z/H，Z为测点离河底距离，H为水深（由河底起算）；b—幂函数指数。

根据式（1）可确定幂指数b：

将实测垂线点流速uη和对应的相对水深η点绘在双对数坐标上，采用幂指数公式拟合直线的斜率，即为bj值，可用Excel幂函数取双对数拟合，截距为 lgηmax。

按声学多普勒流速剖面仪计算规则，微断面（可近似看成垂线）深度平均流速x方向分量（测速垂线平均流速）按下式（3）计算：

式中 Z1为最后一个有效单元的高度；Z2为河底至第一个有效单元的高度；H为测速垂线水深，Dc为单元长度；uxj为单元 j中所测的x向流速分量，相当于流速仪测速垂线上“测点流速”；b为经验常数，通常取0.1667。

ADP测流软件根据测流过程中实测数据确定Z1，Z2，H，Dc，uxj等参数，唯有幂函数指数 b 是假设值。

ADP设置文件中将幂函数指数b值取为为常数原因：一是黑龙江干流水文站的测验河段无相关资料，幂指数b不能确定；二是根据理论上明渠指数流速垂向分布曲线形状，推荐假设b为常数，主要出于断面垂向流速分布的平均情况来考虑的。《河流流量测验规范》（50179-93）中，推荐b=0.11～0.20；测站如无实测资料概化或准确得出幂函数指数值，也可采用=0.1667用于声学多普勒流速剖面仪测流参数设置。

表层有冰花冰孔的流速曲线与表层无冰花冰孔的流速曲线理论分布是不一致的，其主要原因是由于冰花和冰厚的摩阻系数不同，以及冰花空间分布所引起的。经过比测试验确定有冰花的冰孔表层流速插补幂函数指数b值为0.30～0.40之间，主要取于冰花空间分布的厚度和密度大小来具体确定。

4.2 垂线流速分布对比

相同垂线下的ADP流速仪与旋浆式流速仪实测垂线流速分布对比见图3，表1。

表1 ADP和旋浆式流速仪垂线平均流速比测分析表

2009年3月14日起点距为250m处带有冰花的冰孔处水深为3.84m，冰厚1.40m，冰花厚为0.20m。图3（a）为ADP实测流速分布，表层采幂函数指数=0.16667值插补模型，平均流速为0.40m/s；图3(b)为ADP 实测流速分布，表层采幂函数指数=0.40补模型，平均流速为0.38m/s；图3(c)为旋浆式流速仪实测垂线流速分布，平均流速为0.37m/s。从垂线流速分布和垂线平均流速可以说明幂函数指数取0.16667时表层插补流速曲线与旋浆式流速仪不一致，与有冰花的理论流速曲线不符；幂函数指数取0.40时表层插补流速曲线与旋浆式流速仪一致，与有冰花的理论流速曲线变化趋势一致，能够反映有冰花的冰孔表层流速的自然分布。根据地理位置、封江形势、冰花分布初步拟定带有冰花的冰孔表层插补幂函数指数在0.30～0.40之间。

从垂线流速分布曲线比测图以及表1中可以得出：

（1）ADP中间层实测流速曲线分布与旋浆式流速仪实测数据相同，能够反映实际垂线流速分布。ADP计算垂线平均流速与旋浆式流速垂线平均流速误差满足《河流流量测验规范》要求。

（2）采用概化垂线流速分布幂指数模型对冰底表层和河底盲区流速分布进行插补、拟合的流速分布曲线能够反映流速的自然分布情况。确定幂函数指数参数b值，河底底层和表层无冰花的为0.166667；表层有冰花的为0.30～0.40之间。