含沙量对H-ADCP推流的影响及其解决方法

黄士稳，严 甬，吕耀光

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 问题的提出

声学多普勒流速剖面仪 （ADCP）已在流量测验的各个方面取得广泛应用。之江水文站采用水平式声学多普勒流速仪 （H-ADCP）和走航式声学多普勒流速剖面仪相结合的方法对钱塘江河口区实现了潮流量实测及资料整编［1］，青阳汇水文站在平原河网成功应用H-ADCP对流量进行实测［2］，陈金浩［3］等利用走航式ADCP测验断面流速流向分布。ADCP回波强度和含沙量具有明确的相关关系，例如，张志林［4］等利用ADCP反向散射强度估算悬沙浓度，英晓明［5］等基于ADCP和OBS观测洋山港关键断面水沙通量。ADCP是声学原理仪器［6］，一方面其必须依靠水中的颗粒物反射来计算频移，要求水中有一定含量的颗粒物（主要指泥沙）；另一方面，水中颗粒物含量不能太高，太高会导致声波被大量吸收而造成回波强度有效距离变短，达不到设计要求，从而影响断面流量的计算。这种情形是客观存在的，解决泥沙对ADCP的影响，能否通过后续处理降低影响，目前研究较少。

2 含沙量对H-ADCP测流有效距离的影响

H-ADCP是以固定发射声波测量水体流速的仪器。通过测定水体中被悬浮物质 （浮游生物和泥沙）反射回来的反向散射回波相位或频率的变化，将回波转化成沿声学波束的速度分量，再根据剖面大小计算流量。声呐方程［7］（Urick，1975年）包含：声传播区、散射强度区、声源电平和传输损失等。其中传输损失是到声传播区的距离和水体吸收系数的函数，包括因扩散和吸收导致的损失。在H-ADCP的应用中，由泥沙引起的传输损失较为显著。

2.1 测流有效距离缩短的表现及对推流结果的影响

在泥沙含量较低和泥沙含量较高的情况下，H-ADCP测流有效距离的变化见图1和图2。图1和图2中，①号曲线是理论上H-ADCP发射声波的回波强度随距离的变化，②号和③号曲线分别是实测的H-ADCP的2个换能器所发射声波的回波强度随距离的变化。从图1和图2的对比可以看出，在泥沙含量较高的情况下，测流有效距离在35m附近时 （见图2虚竖线）回波强度的数值已衰减到50以下，不能被仪器识别，较其理想状态下的120m （见图1）大为缩短。

图1 泥沙含量较低时回波强度随距离的变化图

图2 泥沙含量较高时回波强度随距离的变化图

当H-ADCP不受泥沙影响时，回波有效距离可达到120m。以之江水文站H-ADCP实测数据来说明测流有效距离缩短对流量的影响。打开仪器的多剖面模式，为避开岸边的紊流，将H-ADCP的盲区设置为5m，H-ADCP水平方向朝河心5～80m范围内的流速作为指标流速。将所测5～80m范围水域在水平方向进行平均划分，共分成10个部分，每部分称为1个流层，每个流层宽度为7.5m。正常情况下，根据流速沿断面的分布规律，从岸边往河心是逐渐增大的，后文以实测数据来说明之江站断面HADCP所实测范围内的流速分布情况。选取时刻为2013年10月7日22：24，经查，该时刻水流平稳，水位正常，为较典型的代表时刻。该时刻H-ADCP所测到的10个流层的流速数据见图3，流层1～4代表了5～35m范围内的流速，其平均值为0.96m／s，流层1～10代表了5～80m范围内的流速，其平均值为1.25m／s，若以5～35m范围内的流速代表5～80m范围内的流速，其误差为23.2%，反映到流量上同样为23.2%，可见回波有效距离缩短对流量的影响是十分显著的。

图3 H-ADCP多流层数据图

2.2 测流有效距离缩短发生时段分析

测流有效距离缩短主要发生在洪水的后半段、涌潮到来时等含沙量较高的时段。根据之江水文站水质自动站数据，发现浊度和测流有效距离密切相关。当浊度值超过70NTU时，测流有效距离开始缩短；当浊度值达到94NTU时，测流有效距离缩短至70m；当浊度值达到116NTU时，测流有效距离缩短至60m。通过对之江水文站2012年全年的H-ADCP诊断数据的分析，可以得到测流有效距离在不同距离段的时间长短分布 （见表1）。从表1可以看出，测流有效距离缩短至30，40m等的历时占全年比例较少，但是测流有效距离缩短往往发生在较大洪水和大潮汛涌潮到来期间，流速较大，对整体的水量计算影响较大，因此测流有效距离的缩短是不可忽视的。

表1 之江水文站2012年H-ADCP测流有效距离时长分布表

3 解决方法

本文以钱塘江之江水文站H-ADCP流量实时在线监测系统为例，探讨H-ADCP在含沙量较大、测流有效距离缩短情况下的解决方法。

3.1 之江水文站流量实时在线监测系统

之江水文站断面宽度955m，在断面的左右岸各安装1台H-ADCP。仪器选用的是频率为500k H z的HADCP，仪器最大实测距离120m。仪器安装示意图见图4。

图4 H-ADCP在之江水文站安装示意图

H-ADCP可连续监测所测量范围内的流速。在HADCP连续监测的同时，使用走航式声学多普勒流速仪开展全断面流量测验，全断面流量测验选取大、中、小典型潮时期进行。走航式声学多普勒流速仪可测得断面平均流速，然后取得H-ADCP在走航式声学多普勒流速仪实测相应时段内所监测到的流速。以断面平均流速为横坐标，以H-ADCP所测相应时段流速为纵坐标，进行曲线拟合，所拟合出的曲线要求通过三性检验且随机不确定度最小［8］。推流时，根据H-ADCP所测流速，通过拟定的关系曲线计算得到断面平均流速，然后通过水位得到断面面积，断面平均流速和断面面积相乘可得断面实时流量［9］。

3.2 分段定线法

前文已描述泥沙对回波强度有效距离及推流数据的影响，为了弥补H-ADCP的不足，提出根据H-ADCP的回波强度有效距离分段定线，即定出5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80等6条曲线。具体做法为：打开H-ADCP的数据后处理软件，将10个流层的流速数据导出到EXCEL表里，在拟定5～30m曲线时，选取10个流层的第1～4流层的平均流速作为指标流速，和同时段的断面平均流速组成一组数据，这样，不同流速级就有若干组数据，然后以断面平均流速为横坐标，以多流层平均流速作为指标流速拟定关系曲线。所定关系曲线示见图5。

图5 5～30m关系曲线示例图

在5～40m曲线定线时，选取10个流层的第1～5流层的平均流速作为指标流速，依照拟定5～30m曲线的方法拟定出5～40m曲线，根据距离依次类推，直到将6条曲线全部定出，画在同一图上 （见图6）。第一象限内顺时针开始分别是5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80m等6条曲线。

图6 六条曲线示例图

3.3 分曲线推流

在推流时，应首先作一个判断，即根据H-ADCP测流有效距离来决定使用哪条曲线进行推流。例如，若有效距离缩短至35m，则采用5～30m曲线，若缩短至55m，则采用5～50m曲线。在具体应用时，可编写程序对流量系列进行批量处理。从图6中6条曲线的分布来看，第一象限内，5～80m曲线在最下方，5～30m曲线在最上方，选用5～30m曲线所推出流量较5～80m的要大，弥补了因回波距离缩短而产生的误差。为了进一步证实，以实测数据来说明使用该方法的效果。为了能更好地说明问题，选取具有代表性的实测数据。2011年6月15日08：54—09：43，走航式声学多普勒流速仪实测流量14800m3／s，袁浦H-ADCP实测平均流速0.39m／s，闻堰H-ADCP实测平均流速1.46m／s，平均水位7.07m。首先使用5～80m曲线进行推流，推出流量为11600m3／s，和实测误差22%。经查询该时间段H-ADCP诊断数据，发现由于受泥沙影响H-ADCP回波强度有效距离已缩短至50m，故采用5～50m曲线进行推流，推出流量为14100m3／s，和实测流量误差为4.7%。2012年3月6日09：02—09：45，走航式声学多普勒流速仪实测流量10800m3／s，袁浦HADCP实测平均流速0.61m／s，闻堰H-ADCP实测平均流速1.29m／s，平均水位6.15m。首先使用5～80m曲线进行推流，推出流量为9360m3／s，和实测误差15.3%。经查询该时间段H-ADCP诊断数据，发现由于受泥沙影响H-ADCP回波强度有效距离已缩短至55m，故采用5～50m曲线进行推流，推出流量为10600m3／s，和实测流量误差为1.9%，已较为精确。

采用分段定线、分曲线推流的方法使推求出的流量和实测值已非常接近，推流成果合理性大大提高。

3.4 对硬件改进的讨论

上述仅讨论了在现有硬件条件下通过后续计算来弥补H-ADCP回波强度有效距离缩短所带来的影响，HADCP硬件改进值得进一步探讨。影响回波强度的关键因素是泥沙含量，泥沙含量无法人为改变，这是客观事实，因此只能从声波获得更强的穿透力方面入手。回到声呐方程，换能器发射功率用可用S L描述：

式中：I是换能器方向上离换能器中心1m处的声强；I0为参考声强，取值为0.67×10-22W／c m2。换能器功率和声强是对数关系，要增大声强，需要成倍增加换能器发射功率，但增大功率会带来更大的功耗，因此需均衡考虑。二是降低仪器的频率，声波的频率更低，穿透力会更强，但需要牺牲一定的精度。综合考虑以上因素，希望生产厂家能生产出功率可调、频率可调的H-ADCP，即在预计洪水将要到来、泥沙含量会增大时，一方面可加大仪器的发射功率，使声波传输得更远；另一方面，可降低仪器的发射频率，声波获得更好的穿透力，以得到更远的回波距离。

4 结 语

H-ADCP在含沙量较高的情况下测流有效距离会明显缩短，因此影响了根据指标流速所推算出的流量，其误差甚至达到20%，达不到流量实时在线监测的设计要求。提出采用多流层数据进行分段定线，然后根据回波强度有效距离选取合适的曲线进行推流。这一方法弥补了测流有效距离缩短引起的流量误差，和实测值误差在5%以内，其效果是十分显著的。本文提出的方法在基本不增加成本的情况下，有效地减小了H-ADCP推流误差，增强了H-ADCP的实用性。

［1］吕耀光，黄士稳.钱塘江河口区声学多普勒测流及资料整编［J］.河海大学学报：自然科学版，2010，38（6）：680-687.

［2］张照余.声学多普勒测流仪在平原感潮河段测验稳定性验证［J］.浙江水利科技，2006（6）：47-49.

［3］陈金浩，吕耀光.ADCP在断面流速流向分布测验中的应用［J］.水电能源科学，2012，30 （10）：51-53.

［4］张志林，邓乾焕，朱巧云，等.基于ADCP反向散射强度估算悬沙浓度在洋山港的应用研究 ［J］.水文，2011，31（2）：62-63.

［5］英晓明，丁平兴，胡克林，等.基于ADCP和OBS观测的洋山港关键断面水沙通量研究 ［J］.泥沙研究，2010（2）：21-22.

［6］田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用 ［M］.郑州：黄河水利出版社，2003：181-182.

［7］尤立克R J.水声原理 ［M］.3版.洪申，译.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990：15-17.

［8］中华人民共和国水利部.SL 247—2012，水文资料整编规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［9］中华人民共和国水利部.GB 50179—93，河流流量测验规范［S］.北京：中国计划出版社，1993.