FLOWTRACKER声学多普勒流速仪在山区小型河流中的运用

摘 要：通过对FLOWTRACKER（水流跟踪者）声学多普勒流速仪工作原理以及操作步骤的简要介绍，并结合在千丈岩-老龙洞连通试验中的具体运用，为该仪器的使用提供参考，并建议推广该仪器在野外原型观测中的使用。

关键词：多普勒頻移；流速测量；山区河流

近年来，我国在河流的治理与防洪减灾工作过程中，投入了许多高新、尖端的精密测量仪器，与传统的测量器具相比，这些仪器具有携带方便、使用便利、反应迅捷等优点。在这里，简要介绍一种适用于山区小型河流流速测量的新仪器——FLOWTRACKER（水流跟踪者）声学多普勒流速仪。FLOWTRACKER（水流跟踪者）声学多普勒流速仪由SONTEK/YSI公司研发生产，专门用于流量小，河道窄的山区小型河流中流量测量，该仪器测量精度高、测量速度快、操作简单、非常适合野外作业。下面详细介绍该仪器。

1 仪器结构

图1 显示了 FlowTracker 仪器，并在主要部件边标上了说明。

探头——探头部分（见图 2）包括了用来测量流速的声学部件。

探头电缆线——探头安装在一根 200 厘米（80 英寸）的软性电缆线的顶端。

手持控制器——手持控制器包括用于数据处理的电子线路，电池，键盘，和液晶显示器。控制器设计成可以防水和短暂的浸没在水中的性能，但不能用于长期放在水下操作。

键盘——FlowTracker 键盘设计成可以快速有效地键入采集数据的参数和操作命令。

液晶显示器——液晶显示器用来显示各种指令和实时采集到的数据。

外置电源/通讯电缆线连接插座——手持控制器底部有一个防水的连接插座用来与外接电源/通讯用的电缆线连接。这个连接插座也同时可用来将FlowTracker 内部保存的数据下载到计算机中。在采集数据期间，这个连接插座用一个密封的螺丝帽盖住的。

发射探头——超声波发射换能器发出一串能量非常集中而窄小的超声波脉冲（声波脉冲的直径为 6 毫米）。

接收探头——超声波接收换能器安装在发射探头二旁的探头支架上。接收探头可以很灵敏地接收到很窄小的声波波束，其焦点位于离开发射探头一个固定距离（10 厘米， 4 英寸）的。

采样体积——采样体积是指测量水流速度的位置。

温度传感器——温度传感器安装在探头的内部。

2 工作原理

FlowTracker 手持式ADV 流速仪是专门设计用于野外流速测量的单点多普勒流速测量仪器。 FlowTracker 仪器是美国 SonTek/YSI 公司已经验证的采用多普勒技术生产的一种多普勒声学流速测量仪（ADV），采用了一种高分辨率的测速传感器。ADV 技术可以提供一系列的测量优势。

多普勒原理说明，如果一个声源与它的接收物体之间有相对运动，那么在接收端接收到的声波频率与发送端的声波频率就会有差异。

Fdopple =- Fsource（V/C）式中：

Fdopple = 接收端变化后的频率（多普勒频移）。

Fsource = 发送端发出的声音频率。

V=声源相对于接收端的移动速度。

C=声波在水中传播的速度。

速度V 代表声源与接收端之间的相对速度（两者之间产生距离改变的移动）。

FlowTracker 流速仪测量流速的过程如下所示：

发射声波换能器（探头）产生一串很短的已知频率的声波脉冲。

声波沿发射探头的声波轴线在水中传输。

如声波在传播的过程中会通过采样单元区域，声波会被水中的悬浮颗粒（沉淀物、有机物、气泡等）向各个方向反射（散射）。

一部分的反射声波会沿着接收探头的声波轴线传播。

反射的声波信号被接收探头接收到（采集到）。

FlowTracker 测量每个接收探头采集的声波是否有频率变化（多普勒频移）。

多普勒频移是与沿着接收探头和发射探头的收发分置轴线的悬浮颗粒移动的速度成比例的。收发分置的轴线位于接收轴线和发射轴线之间夹角的中心轴。

知道了收发分置轴线的相对方位，FlowTracker 就可以计算二维或三维的水流速度了。

3 流速测量步骤

按住“开/关机”键1 秒钟，直到液晶显示器打开并显示

按“确认”键可以进入“主菜单”

设置系统参数

检查 参数设置菜单（在主菜单中按1，）。

- 系统单位（公制/英制）（在 参数设置菜单中按1）。

- 采样平均时间（测量历时）（在 参数设置菜单中按2）。

- 数据采集方式（设置成流速测量方式）（在 参数设置菜单中按3）。

- QC 设置（在 参数设置菜单中按4）。

- 盐度（在 参数设置菜单中按6）。

主菜单 按3，开始运行数据的采集。

建立工作文件，按1

跳过测试，按2

将探头放到测点的位置，按测量键 Measure 开始测量。

测量结果显示如图：

测量结束后按1 表示接受测量的结果，并移到下一点；按2 表示重新测量（在原来同样的测点位置）。

4 测量过程中的注意事项

4.1安装和装配

FlowTracker 在使用中，通常是安装在一根专门为 FlowTracker 设计的专用测杆上。该测杆也专门设计了供探头和手持控制器安装的装置，这种安装装置的设计是非常灵活的，它可以更改以适应不同的安装需要。这种测杆只适用于 SonTek公司生产的 FlowTracker。

4.2探头的电缆线

从探头连接到手持控制器的电缆线是一种对噪声非常敏感的电缆线，应该引起一定的注意。

1）电缆线应该避免被刺割、摩损、或其它的损伤。

2）在安装仪器的过程中，都应该保护好电缆线，以免过分的拉动或者受到损坏。

3）电缆线应避免受到过度的弯曲，特别是靠近探头的那个部位的电缆线。

4.3探头的安装

4.4水流的干扰

1）FlowTracker 探头应该远离任何的水下建筑物或者其它障碍物，特别是要注意探头上游的地方。

2）在选择测量的多点时，要考虑靠近探头的水下建筑物或者其它障碍物的大小和位置，以及水流的大小和方向。

4.5 维护和清洗

FlowTracker 探头电缆线是整个系统中最容易受到损伤的部分，需采用预防措施，如果在仪器换能器的表面生长了一些藻类生物，这并不会影响到流速的测量，但是，会降低声学信号的强度；特别是在比较清洁的水体测量时，会潜在地增加了背景噪声。

5 实践运用

在鄂渝边界老龙洞——千丈岩水流连通试验项目中，我们首次运用桑泰克流速仪进行流量测定。为了测量方便，首先在河床岩面上修筑矩形明渠（前提是小型山区河流），明渠长度以渠内通过水流能达到平稳状态为准，本试验为7M，在明渠段选择一个断面作为测量断面，横向从左到右依次布置10个流速断面，各断面纵向采用3点法（0.2/0.6/0.8）或1点法（0.6）测量，具体视明渠宽度及水深而定。实际测量操作时，由两个人共同协作完成，一人手握测杆按第3章操作步骤依次在各断面布置测量，另一人则负责操作手持电脑终端，对各测点的测量情况作出判断，并根据测量结果，流速/水流偏转角等判断数据是否合理，是否进行重复测量等。测量的结果列表记录以供流量计算使用。本方案先得到的是各测点流速，通过断面的流量计算方法处理得到断面流量。

流量的具体计算方法主要有部分中间法（mid section）、部分平均法（mean section）、日本法等，这里简要介绍本仪器默认的部分中间法。

其中：

岸边计算方法（开始岸，对岸，夹滩）；i=岸边测量垂线（Loci， Depi）；j=邻近垂线（Locj， Depj， Velj）

岸边宽=Wi =（Locj-Loci）/2；岸边面积=Areai=Wi * Depi；岸边系数=CFi

岸边流速=Veli=Cfi * Velj；岸边流量=Qi=Areai * Veli

明渠部分计算方法：

垂线宽=Wi =（Loci+1-Loci-1）/2；垂线面积=Areai=Wi * Depi；垂线流速=Veli

垂线流量=Qi=Areai * Veli

总流量=Sum（Qi）

在实际操作我们发现，测量时测头的方向摆置至关重要，必须严格按照操作规程放置，水流夹角应尽量在10°以内。分析试验数据及计算结果可以看出，使用该流速仪测量的数据合理，测量精度满足试验要求。

6 结语

通过在山区河流中实地运用后，该流速仪携带及操作十分便捷，非常适合在此类小型山区河流中使用。因而我们推荐在野外观测项目中应多使用该FLOWTRACKER声学多普勒流速仪。

参考文獻：

[1] 王爱军，汪亚平，高抒.声学多普勒流速仪盲区数据处理及其在长江河口区的应用.[J]水利学报 2004（10）.

[2] 唐洪武，肖洋，陈玛丽，王志良，高柱.声学多普勒流速仪自动测量和分析系统.[J]河海大学学报（自然科学版）2003，11（9）.

[3] 马国荣.多普勒剖面流速仪在水文流量测验中的应用[J]科技传播，2014（4）.

作者简介：崔旭（1983-），男，汉族，辽宁本溪人，工程师，本科，研究方向：水利水电工程。