ADV超声波多普勒流量计在陈桥水文站的应用研究

林培勇LIN Pei-yong

（广东省水文局潮州水文测报中心，潮州 521000）

1 基本概况

1.1 水文站基本概况

陈桥水文站位于广东省潮州市湘桥区凤新街道陈桥村（位置示意图见图1），建于2002年，是北关引韩的控制站，韩江流域的二类基本水文站，该站常规测验项目有水位、流量。北关引韩是在韩江北关段竹竿山坡脚引入韩江水，主要为潮州市湘桥区、潮州市潮安区、揭阳市揭东区提供部分饮用和农田灌溉及工业用水服务。

图1 陈桥水文站位置示意图

1.2 所用的常规测流方法

陈桥水文站常规测流是采用人工拖拉搭载SonTek M9（以下简称M9）的三体船于基上35m流速仪测流断面处进行测流，并通过临时曲线法进行定线推流。由于受上游北关引韩调控和下游渠道分流共同影响，水位流量关系非常紊乱。为保证资料的准确性和可靠性、提高测验效率，陈桥水文站引进了福建澳泰公司的ADV超声波多普勒流量计（以下简称：ADV流量计）进行安装并试用研究。

2 ADV流量计测流原理

所谓声学多普勒效应[1]，是指：声源和观察者发生相对运动时，观察者所接收到的声音频率将与声源初始所发出的频率不一样。这个由于物体的相对运动而产生的频率差异，正比于两物体的相对运动速度。ADV超声波多普勒流量计的测量原理主要依赖于物理学中的声学多普勒效应。

ADV超声波多普勒流量计运用超声波多普勒效应进行流量测量时，超声波发射器不断发射固定频率的声源，流体中的固体颗粒起了与声源产生相对运动，超声波经过固体颗粒反射回接收器上。发射器发射的声波与经固体颗粒反射后的声波之间存在频率差异，这个差异被称为声波的多普勒频移，与流体流速成正比关系。所以，如果测量得到这个频率差异，则可求得被测流体对应的流速，进一步推算得到流体的流量。

而运用超声波多普勒流量计测量流体流速的一个前提条件是：应有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等两相介质存在于被测流体介质中，这种介质被称为两相流流体。而现实生活中，自然界中的大多数流体都是两相流流体，这使得超声波多普勒流量计成为了一种极具发展和应用前景的测流方法和设备，正日益得到推广和使用。

根据声学多普勒频移方程，固体颗粒和声源的相对运动而产生的声波多普勒频移的大小：

式中：

ΔFd——多普勒频移动；

F0——发射超声波频率；

C——水中声速；

V——水的流速；

θ——相对于河水流向的发射波束和接收波束的夹角。

式（1）可进一步简化为：

式中，当超声波发射频率固定时，其值为常数，而换能器安装后其夹角固定不变，即K也为常数。代入式（3）可得，流速V和多普勒频移ΔFd、水的声速C成正比。当测得多普勒频移ΔFd和水的声速C时，即可通过公式计算出被测流体相应的流速V。在本仪器中，C由温度值换算得来。

3 测验内容及方法

3.1 水位比测

ADV流量计安装地点在陈桥水文站基本水尺断面下游5m的断面处，水面不存在纵比降，ADV水位和陈桥站基本水尺断面水位存在较小的差值。水位比测是将ADV流量计水位和陈桥站召测水位两者进行比较。

3.2 流量比测

根据不同水流特性，选择合适时机在基上35m断面采用人工拖拉三体船载SonTek M9（以下简称M9）进行流量测验。M9一般采用两个测回的均值作为全断面流量，根据《声学多普勒流量测验规范》，出现特殊水情（比如水位涨落变化快、流速较小闭合困难等）时，也可采用一个测回的实测流量平均值[2]作为全断面流量。流量比测次数按不同水位和流速级均匀分布且不少于30测次。

4 比测率定分析

4.1 水位比测分析

本次选择了陈桥水文站2022年1～9月不同水流条件下的时段进行水位比测分析，以陈桥站召测水位记录为准，与ADV水位记录比对。

从对比结果可以看出，2022年1～9月ADV水位与陈桥站基本水尺水位差值，水位绝对差在±2cm以内的有295组，占97.4%，仅有8组数据差值为3cm，占2.6%。这说明在平水期，陈桥站召测水位、ADV水位相差不大。

总的来说，ADV流量计水位采集精度较高，水位偏差均在±2cm之间。除个别偶然因素导致出现个别错误数据之外，整体上ADV水位数据变化较为稳定且连续。因此，在使用ADV流量计进行数据分析时，可使用召测水位计记录的水位数据。陈桥站召测水位与ADV水位对比成果详见表1。

表1 陈桥站召测水位与ADV水位对比表

4.2 流速率定分析

本次率定测验，共收集了2022年1月～2022年9月30个测次的断面实测流量数据与相应ADV流量计数据，其率定水位变化范围为7.72～8.67m，实测流量变化范围为0.91～10.3m3/s，断面平均流速变化范围为0.18～0.67m/s，换算成对应相近时间的代表流速（以下简称代）的变化范围为0.16～0.68m/s。作出断面平均流速V平均与ADV瞬时代表流速V代表两者相关关系图如图2。

图2 代表流速与断面平均流速关系曲线图

由图2可知ADV瞬时代表流速V代表与断面平均流速V平均的相关关系式为：

式中：x——代表流速，m/s；y——断面平均流速，m/s；其中数据复相关系数R2=0.9801，说明ADV瞬时代表流速V代表与断面平均流速V平均两组数据有较好的相关关系。

4.3 关系曲线检验

对上述代表流速和断面平均流速关系曲线（简称：代～断流速关系曲线）进行3种检验分析，具体结果见表2。根据《水文资料整编规范》（SL 247—2012）的规定[3]，计算得到代～断流速关系测点的标准差Se为3.1%，随机误差为6.2%≤8%，系统误差为0.19%≤±1%，均达到规范规定的精度要求。由表2可以看出，3种方法对代～断流速关系曲线的检验均在临界值范围内，检验合格，达到规范要求，定线正确。

表2 代～断流速关系曲线3种检验结果统计

5 流量合理性分析

5.1 实测流量对比分析

对参与率定30个测次的断面实测流量数据与相应ADV流量计数据进行对比分析，对比结果见表3和图3。

由表3和图3可得，通过代表流速与断面平均流速之间的关系计算得到的ADV流量与M9实测流量相差不大。其中，偏差最小为0%，最大为1.82%，相对误差均小于或等于±2%的。这说明代表流速和断面平均流速的率定关系可靠，率定结果比较合理。

图3 ADV流量与M9实测流量对比图

表3 ADV流量与M9实测流量对比表

5.2 月平均流量对比分析

选取2022年1～9月ADV流量计月平均流量与陈桥站整编推流成果（通过临时曲线法推流所得）进行对比分析，月平均流量误差对比见表4。由表4可得，采用常规推流与采用ADV流量计推算月平均流量相对误差小于±2%的比例为100%；其中，最大相对偏差-1.40%，最小相对偏差0.39%。可见，ADV流量计与常规推流计算出的月平均流量成果吻合较好。

表4 陈桥站ADV流量计与实测资料月平均流量对比表

6 结论

①通过本次分析可得，ADV流量计是一种先进的声学多普勒测流设备，它具有日常运行成本低、快捷、实时、准确的优点，并且适用于不同工况和不同水流条件下的流量测验工作。陈桥水文站水位～流量关系一直饱受水利工程影响，ADV在线测流系统的引进与使用，将有望有效解决流量测验的各项难题，减轻测验工作量和人力物力的投入，为水文预报和测验工作提供更为有效可靠的技术手段。

②将ADV系统的水位、流速、流量等数据应用于水文资料整编，有效减少了资料二次录入的错误率，并进一步提高资料整编质量和工作效率。

③ADV流量计水位采集精度比较高，差值基本在±2cm之间浮动。但在上下游水闸调控期间，由于受水流脉动、水位涨落变化和漂浮物影响显著，水位观测误差明显增大，按照已有数据分析，水位误差差值一般都在2～3cm之间。

④代表流速在0.16～0.68m/s时，代表流速和断面平均流速复相关系数为0.9801，具有较好的相关关系。代～断流速关系测点标准差Se、系统误差、随机误差分别为3.1%、0.19%和6.2%，均达到规范规定的精度要求，且代～断流速关系通过三线检验，故所率定关系比较可靠。

⑤通过流量对比分析，陈桥基上35m断面实测流量与ADV计算流量相对误差较小，基本维持在±2%之内；周期较大的月平均流量相对误差则较小；对比结果认为，ADV测流系统可以应用在日常的流量测验工作中。