走航式声学多普勒流速仪投产方法探讨

2013-11-20蒋建平

水利信息化 2013年2期

蒋建平

（长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011）

0 引言

走航式声学多普勒流速仪在投产前应根据《声学多普勒流量测验规范》[1]的要求做多项比测，历时一年甚至几年，投入很多人力和物力，但很多时候因走航式声学多普勒流速仪的选择频率、安装方法、参数设置不同，断面的水流特性复杂及环境等因素导致施测精度不能满足要求而不能投产。为此凭借多年现场比测分析的经验，探讨走航式声学多普勒流速仪投产过程要求及比测方法。

1 选择满足现场施测条件的设备

走航式声学多普勒流速仪精密度是进行比测的前提，选择合适频率的走航式声学多普勒流速仪、不受外界影响的罗经及满足精度的定位设备才能确保流速、流向及流量测验的精度。设备的选择应根据施测断面的水流特性和现场环境确定。

1.1 多普勒流速仪选择

走航式声学多普勒流速仪只能实测断面的中间部分，而上层盲区、底层旁瓣部分和不可到达的两岸边区需要推求。施测要求实测区越多越好，选择仪器频率要考虑断面水深及泥沙含量等水文特性的影响，水深较浅的断面宜选用高频多普勒流速仪，水深较深的断面则选择低频多普勒流速仪。水体中的泥沙含量会直接影响到超声波的穿透性，当含沙量较大的河流则要选择较低频率的仪器。

1.2 外部传感器的选择

走航式声学多普勒流量测验不需外接设备的条件是：不受磁场的干扰；河床不存在“动底”[2]（即声学多普勒流速仪判断底发生运动）；河流含沙量不大等。因为测验环境受磁场的干扰影响，会使声学多普勒流速仪的内置磁罗径辨别测验断面方向困难或不准确，造成流量测验资料的计算误差。河床存在“动底”，有违走航式声学多普勒流速仪测验计算原理“河底是固定不变的（即没有‘动底’现象）”的假设[3]，造成底跟踪失灵，船速测量失真，即此时的测船航行速度不能准确地由底跟踪回波多普勒频移计算，最终造成流量测验计算的较大误差。河流含沙量较大时，也会造成声学多普勒回波强度衰减快，使底跟踪和水深测量失效，同样给流量计算造成误差。

1.2.1 外接罗经

多普勒流速仪是利用声学多普勒频移效应原理进行流速、流向的测验系统。目前，使用走航式声学多普勒流速仪进行流量测验的载体一般都是铁质测船，铁质测船对声学多普勒流速仪的内置磁罗径的工作造成干扰，以及周围高压线、电台、来往船只等各种影响磁环境的因素，使得施测的结果产生误差。为解决铁质测船对声学多普勒流速仪内置磁罗径的影响问题，需用外接罗径来替代声学多普勒流速仪的内置磁罗径，以获取测验断面过程的正确方向值。

外接罗经可根据施测的安装条件及外部环境选择电或 GPS 罗经。

1.2.2 定位设备

当走航式声学多普勒流速仪流量测验施测后只需要断面流量而不需要垂线流速、流向时，可以不增加定位设备。

当施测断面的河床存在“动底”时，可选用“回路法”来解决“动底”对流量的影响，也可选择外部定位设备施测走航式声学多普勒流速仪运动速度。

“回路法”虽可解决断面河床存在“动底”导致的流量偏小问题，但需要摘录断面上垂线或测点流速时，该方法不可取。

选用定位设备替代声学多普勒流速仪测量船速要考虑设备的定位精度，目前可选择 GPS 和北斗等定位设备。GPS 分为 GGA 和 VTG 模式，但不同的模式要求设备精度也不同，当选用 GGA 模式时要选择至少分米级以上精度的定位设备（如 RTK GPS等），选用 VTG 模式时对定位精度没有要求。通过配备定位设备可解决走航式声学多普勒流速仪施测时有“动底”导致的流速、流量偏小问题，使有“动底”时流速、流量偏小都得到修正。

需要注意的是，选用 GGA 模式施测时尽可能直线运动，选用 VTG 模式则应匀速运动，这样才能使不同测量模式下选择的设备测验精度达到最高。

1.2.3 测深仪

当含沙量较大时，底跟踪可能失效，可调整参数进行试测；若无法施测水深，则可外接不同于声学多普勒流速仪频率的回声测深仪测深，但回声测深仪只能施测到水深，而声学多普勒流速仪在水较深处还是无法施测到流速、流向。所以不建议外接测深仪，可选择频率较低的声学多普勒流速仪施测。

1.3 设备安装

声学多普勒流速仪可安装在船头、船弦的一侧或穿透船体的井内，仪器探头的入水深度，应根据测船航行速度、水面波浪大小、测船吃水深、船底形状等因素综合考虑，使探头在整个测验过程中始终不露出水面为好。总之，只要满足施测时探头不露出水面，探头安装入水深越浅越好，这样，施测的实测区将会增大，对于宽浅河流断面更应如此。

当外接定位设备时，定位设备天线（如 GPS）需安装在声学多普勒流速仪探头的正上方。《声学多普勒流量测验规范》中对天线要求可以在1m 以内，但在实际使用中会因船首转弯等因素导致 GPS施测的速度不能代表声学多普勒流速仪探头位置速度，导致施测的速度可能偏大或偏小。

例如：2009年在长江下游某水文站进行 GPS 位置安装测试，施测时采用600Hz ADCP，因 ADCP 安装在铁质测船上，外部罗经采用的是 THALES3011GPS 罗经，采用 GPS 罗经的单机定位功能。GPS 罗经安装在 ADCP 探头的前方 1.2m，偏右 0.5m。

测船以直线运动方式施测，船首方向保持不变时施测的轨迹及流速矢量线如图1所示，底跟踪和VTG 模式下流速矢量线相对平行，大小基本一致。说明虽然 GPS 天线不在 ADCP 探头的上方，但在直线运动和船首保持相对稳定的情况下，施测的数据也是正确的。

图1 不同模式下流速矢量比较

当测船以“S”型运动方式施测，施测的轨迹及流速矢量线如图2所示，底跟踪模式下流速矢量线相对平行，流速大小基本一致，而 VTG 模式下流速矢量线出现有规则的长短变化，这说明 GPS 天线与ADCP 探头的位置安装不在同一位置，虽然施测的流向正确，但因 GPS 施测的船速不能代表 ADCP 探头运动速度而导致流速错误。

图2 不同模式下流速矢量比较图

外部罗经的安装指向应与船首方向一致，并与声学多普勒流速仪探头刚性连接，这样才能保证外部罗经的方向代表声学多普勒流速仪的运动。

测深仪换能器宜垂向安装在声学多普勒流速仪同侧，测量过程中换能器不应露出水面并应防止发生空蚀。

总之，设备的安装应严格安装要求进行，否则将直接影响到测验的精度。

2 投产比测参数的确定方法

声学多普勒流速仪在投产之前都需要与转子式流速仪进行比测，比测的内容很多，但主要寻找适合断面水流特性的各种影响流速、流量的参数，如垂线上下盲区推求系数[4]等。

2.1 流速比测

用转子式流速仪比测需要注意时间要同步，每点比测历时应大于100s，声学多普勒流速仪的数据要合并后摘录，这样才有可比性。例如：2007年，在长江下游某站进行了测点流速比测，比测流速在0.23～2.57m/s，最大相对标准差 10.7%，系统误差2.97%。

通过测点流速的比测，一方面确认声学多普勒流速仪的精度，施测的资料是否与转子式流速仪属于同一系列资料；另一方面，通过断面高、中、低不同水位位置的垂线测点流速的比较，了解断面是否存在着“动底”现象，以便确定流量选用设备及测验模式。

2.2 垂线上下盲区推求系数

幂函数指数可利用已有高、中、低不同水位级多线多点法实测测点流速资料概化，并求得不同垂线和断面概化流速分布幂指数。

由于垂线流速分布受到紊流、回流、水面气象等因素影响，因此分布十分复杂，指数流速分布是在假定流速沿垂线分布服从曼宁公式的情况下的近似，针对水文断面不同测次不同垂线拟合的指数也不同，只能用1个综合的指数来进行流速分布拟合。例长江下游某站选取断面21条垂线的5点法资料分析，如表1所示，断面幂函数指数变化范围为0.0347～0.2670，平均值为 0.1708。垂线流速分布可以采用指数流速分布规律进行拟合和内插，且在比测资料中采用 1/6指数和断面平均计算值 0.1708，与 1/6指数在软件中回放，断面流量在 11800～48700m3/s 时相对偏大 0.03%～0.06%。

表1 垂线流速分布幂指数统计表

所以，幂函数指数直接影响到上下盲区流速的推求，即声学多普勒流速仪施测的断面区域上下盲区流速及流量，对断面流量成果精度有直接的影响，特别是流速垂向分布。

2.3 流量比测

流量比测除了走航式声学多普勒流速仪要满足断面测量的精度要求外，还要与转子式流速仪进行精度的比测。根据《声学多普勒流量测验规范》测验精度要求，走航式声学多普勒流速剖面仪施测成果（每次2个测回）与转子式流速仪比测单次流量测验系统误差应在 -2%～1% 之间；总随机不确定度小于 5%～9%，这样才能保证走航式声学多普勒流速剖面仪施测成果与转子式流速仪成果为同一系列资料。

从表2的长江下游某站38次流量比测资料可以看出，在 GPS 模式下，系统误差与总随机不确定度满足要求。流速仪施测流量在63400m3/s时，GPS模式下流量为64400m3/s，偏大1000m3/s；而底跟踪模式下流量在53400m3/s，偏小10000m3/s。所以在比测过程中，当走航式声学多普勒流速仪施测流量偏小时，需及时检查断面是否有“动底”现象。

表2 流量比测特征值统计表

3 加快走航式声学多普勒流速仪投产方法探讨

3.1 比测测次

《声学多普勒流量测验规范》明确了流量测验比测分析报告要对影响精度的流速、流量、岸边部分流量采用系数，以及垂线流速分布与插补模型的适应性进行分析。目前，对流速、流量的精度统计分析的最少样本数要求是30个，从近几年的长江中下游投产数据分析，当走航式声学多普勒流量测验系统在外部复杂环境下配备必要的外部传感器及安装都满足要求时，流速、流向及流量正确性是能满足要求的，只需对针对测验断面的水流特性影响的垂线流速分布与插补模型等参数分水位级进行率定，可采用边比测边投产的方案，这样不仅可以节约人力财力，而且可以缩短投产周期。

所以在比测投产中，上级技术主管部门更需对走航式声学多普勒流量测验系统进行硬件配置、安装及参数设置检查。