水文新仪器在中小河流测验中的应用

郭晓峰

摘 要：水文仪器的应用是水文发展实现现代化的必要工具。水文仪器在流量测验中发挥着重大的作用，目前我国水文仪器设备的研制和应用技术水平在不断提高，但其中也存在不少的问题。本研究对水文新仪器在流量监测中的实际应用状况进行分析，总结了水文新仪器对于流量监测的作用以及在实际应用中出现的问题，并对其进行分析，提出了解决办法。本文以“声学多普勒流速剖面仪（ADCP）”为基点，分析ADCP在水昨工程应用原理，浅析ADCP在中小河流中的应用。

关键词：新仪器（ADCP） 中小河流 应用

中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0024-02

近年来，许多新型水文仪器投入到流量测验中，这些新的测量原理和测验方法已得到广泛的认同，新仪器在流量测验中，对于提高测验的安全性，测验的准确度具有很大作用，因此这些水文新仪器得到了广泛的应用。

水文仪器在流量测验中的主要目的在于实现水文现代化，而水文现代化的重点体现在水文手段以及水文工具的科技化。水文新仪器主要是对流量资源信息的采集以及传输，在此基础上新仪器还要对采集和传输的信息进行分析，以便于预测流量的现状。随着时代的发展，科技水平的提高，各种水文测报仪器设备也得到了改善，很多已达到了智能化；水文仪器的应用使得水文监测和预警系统实现了系统化。

ADCP是一种利用声学多普勒理论研制，可用于实时测量河流流速、流量的设备。它具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。目前被用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。它利用多普勒效应原理进行流速测量。ADCP因其原理的优越性，突破传统机械转动为基础的传感流速仪，用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速。随着技术日益完善、不断进步，由原来测量海洋逐渐延伸到河流的流量测验，有利于提高测量精度。

1 ADCP流量测量原理

与传统的人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量的基本原理一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速，但ADCP所测的垂线可以很多，每条垂线上的测点也很多。ADCP实际上应是一个包括：（1）ADCP换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。声学多普勒移则由下式确定：

Fd=2Fs（V/S）

式中，Fd为学多普勒频移；Fs为发射波频率；V为颗粒物沿声束方向的移动速度；C为声波在水中的传播速度。

目前，針对水体流速测量，ADCP主要包含定点式、走航式两种测量方式，定点式测量是在水流固定点上安装ADCP，例如水面桥墩，利用ADCP测量水体，因仪器在固定一点上测量数值，所以，测定水体所得数值为真实值，可直接用就于数据处理。而走航式测量将ADCP在移动状态下测量数据，所以测量数据是一种以船体作为参照物的相对测定值。

2 ADCP在水文测验中的应用

针对水文监测而言，ADCP可准确测定水流流速、水流截面流速，可估算测定岸边的水体流速。

对中小河流展开水文测验时，首先ADCP发射固定频率数值的声脉冲到水体，声脉冲通过与水体悬浮物发生碰撞，接着ADCP接收反射波，对声脉冲原频率与反射波频率差值进行计算，利用ADCP方程式进行计算，获得水体流速。计算公式为：

V=1000×Fd（C/2Fs Cos（A））

式中，V为水流速度；C为ADCP换能器表面处的声速；Fs为ADCP发射的声波频率；A为波束方向与流速方向的夹角；Fd为多普勒频移。

采用ADCP进行流量测验，是遵从“流速-面积法”，计算公式为：

Q=su·ξds

式中：Q为流量；s为河流某断面部分面积；u为河流断面某点处流速矢量；ξ为作业船航迹上的单位法线矢量；ds为河流断面上面积微元，由下式确定：

ds=|Vb|·dz·dt

式中：dz为垂向长度微元，z自河底起算；

dt为时间微元；

Vb为船速矢量；

|Vb|为作业船速度（沿航迹）。

实际水文测验工作中，许多因素均会干扰声脉冲频率，引起反射声脉冲频率发生波动，引起测定水流流速出现失真。测定中小河流流量时，因水文运动导致水体变化，对ADCP测定水流流量造成影响。中小河流的洪峰时期，因水体出现较大的强烈运动，水底所沉积泥沙，随着水体运动发生翻腾，许多泥沙运动影响了声波换能器手机反射的声脉冲，导致脉冲频率不能够得到准确测定。为解决水文测验时ADCP遇到问题，应仔细挑选测定地点，选取稳定的流速水体，展开声脉冲频率测定，确保脉冲频率能够最大范围防止外界干扰，提高声脉冲测量准确度。在检测ADCP必将使数据精度更加准确，数据测量范围更加广泛，从而达到世界水文检测的测定数据需求。

3 ADCP的优点

ADCP的优点如图1所示。

4 结语

ADCP是水流流量测定最为科学、最为先进的水体检测是设备，可有效节省人力测量，提高水文测验数据精确性，通过利用ADCP测验不同河段的水流流速，可使河流栓验得到有效简化，有利于提升河流资料整合，与传统剖面流速测验技术对比，ADCP测量方式更为方便、快捷，可确保较高的测量精度，可使河道水流的信息，数据准确度得到有效提高，这将强有力地推动着水文测验信息化的发展，但仍有一些方面有待完善，如底沙运动，外界磁场干扰以及测量盲区等问题的存在，仍需在技术上寻求进一步的突破。

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