聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期流量測(cè)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)探索.docxVIP

1、文章編號(hào)1002-0624(2010)01一0004-03聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期流量測(cè)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)探索劉陽(yáng)明，李加偉，吳高莊（松遼委黑龍江水文水資源勘測(cè)局，黑龍江黑河163400）摘要在黑龍江干流卡倫山水文站首次將聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用到封凍期河流流量測(cè)驗(yàn)中，與機(jī)械旋漿式流速儀進(jìn)行了封凍擁流量比測(cè)試驗(yàn)。結(jié)合實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，提出針對(duì)性的建議和措施，進(jìn)而提高聲學(xué)多普勒流速儀在封族期進(jìn)行流量測(cè)瞼的精度，并為進(jìn)一步拓寬該儀器的應(yīng)用范圍提供有利的技術(shù)支持。關(guān)鍵詞聲學(xué)多普勒流速儀；封凍期；流量測(cè)驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào)P335L1近年來(lái)，聲學(xué)多普勒流速儀在暢流期水文測(cè)驗(yàn)中已廣泛使用，而在封凍期流量測(cè)驗(yàn)的應(yīng)用則受到

2、地域和氣候的限制,基本尚未開(kāi)展。為適應(yīng)水文現(xiàn)代化要求，減少封凍期流量測(cè)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)驗(yàn)精度，首次將聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用到封凍期河流流量測(cè)驗(yàn)中。于2007,2008年冬季及2009年春季期間，在黑龍江干流卡倫山水文站進(jìn)行了ADP與機(jī)械旋漿式流速儀封凍期流量比測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合實(shí)際操作中遇到的問(wèn)題以及聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范中未對(duì)封凍期流量測(cè)驗(yàn)做出規(guī)定的方面，提出針對(duì)性的建議和措施，進(jìn)而提高聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期河流的流量測(cè)驗(yàn)精度，促進(jìn)了聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展。1斷面磁方向校正在使用ADP進(jìn)行冰期流量測(cè)驗(yàn)前，需做一次斷面磁方向標(biāo)定，來(lái)確定河道流量測(cè)驗(yàn)的斷面線。如果ADP磁羅經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題或在外部磁場(chǎng)

3、干擾下進(jìn)行ADP標(biāo)定斷面方向時(shí)，會(huì)影響到ADP流量測(cè)驗(yàn)的精度。在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中需使用外帶羅經(jīng)進(jìn)行斷面磁方向校對(duì)，誤差應(yīng)小于2。如果磁方向角大于2。,應(yīng)及時(shí)對(duì)ADP換能器進(jìn)行羅盤(pán)校正，并按ADP儀器操作手冊(cè)中的方法對(duì)儀器進(jìn)行羅盤(pán)校正。ADP進(jìn)行斷面磁方向標(biāo)定時(shí)，由于ADP方向箭頭很小而且還在儀器換能器的下面，這樣現(xiàn)場(chǎng)4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A標(biāo)定箭頭與斷面線是否在一直線時(shí)，本身就存在不可避免的誤差，需標(biāo)定35次，取其均值作為斷面方向數(shù)值來(lái)減小誤差。2ADP單條垂線測(cè)驗(yàn)歷時(shí)分析確定減小ADP流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)并能保證流量測(cè)驗(yàn)精度，主要取決于ADP進(jìn)行單條垂線水深和流速測(cè)量時(shí)間。通過(guò)對(duì)只結(jié)冰的垂線、既結(jié)冰又有冰花的垂線、

4、有兩層冰的垂線在20,40,60,80,100,120,150,200s以及300s的時(shí)間內(nèi)測(cè)量的水深和流速，分析其在歷時(shí)最短又能保證水深和流速的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。（1）測(cè)深歷時(shí)分析。采用每間隔5s測(cè)量一次垂線水深，連續(xù)累積300s（圖1）,測(cè)試水流變化和河底河床的穩(wěn)定性。采用在300s內(nèi)每間隔5s測(cè)量一次垂線平均水深，并連續(xù)累積計(jì)算平均水深（圖2）。實(shí)測(cè)分析出在最短時(shí)間內(nèi)水深趨于穩(wěn)定,且接近真實(shí)的水深。通過(guò)圖1,2和可以看出測(cè)驗(yàn)歷時(shí)在30s后垂線平均水深趨于穩(wěn)定。（2）測(cè)速歷時(shí)分析。采用每間隔5s測(cè)量一次垂線平均流速度連續(xù)累積300s,測(cè)試水流脈動(dòng)的周期和頻率o采用歷時(shí)300s內(nèi)每間隔5s測(cè)量

5、一次垂線平均流速度,連續(xù)累積計(jì)算垂線平均流速。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，測(cè)驗(yàn)歷時(shí)在100s后垂線5.0-名3.53，q°S?SS88?SS8S?SSS時(shí)間/s圖1垂線實(shí)測(cè)水深歷時(shí)分析圖E4.2彖4.1J54.0K391uu»iII1_II_III_I_>時(shí)間/s圖2垂線平均水深累計(jì)過(guò)程線平均流速實(shí)測(cè)值趨于穩(wěn)定，但由于可能受冰孔圍周冰厚不均勻、冰花分布不均勻、冰鉆車(chē)打孔后破壞了垂線的冰厚和冰花的自然分布等因素影響，垂線測(cè)驗(yàn)歷時(shí)還需延長(zhǎng)。在120s與300s內(nèi)計(jì)算的垂線平均流速基本相等，最大誤差不大于3%,這說(shuō)明歷時(shí)120s內(nèi)實(shí)測(cè)的垂線平均流速能夠反映出當(dāng)時(shí)垂線平均流速情況，滿足

6、河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。冰期ADP垂線流速和水深的測(cè)驗(yàn)歷時(shí)為120s,如遇到特殊情況，包括河道冰情變化、時(shí)間限制、特殊水情等，垂線流速和水深的測(cè)驗(yàn)歷時(shí)不應(yīng)小于100so3ADP垂線測(cè)量時(shí)換能器位置的選擇及冰花處理ADP進(jìn)行垂線測(cè)量時(shí)換能器的入水深度和所在冰孔冰厚的位置對(duì)實(shí)測(cè)垂線平均流速有直接的影響。為此在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次比測(cè)實(shí)驗(yàn)。ADP換能器發(fā)射聲波信號(hào)的部件沿主軸向外側(cè)傾斜25°,當(dāng)ADP的換能器放在水面與冰底部之間時(shí)，換能器發(fā)射的聲波反射回ADP換能器。接收過(guò)程中受到冰厚的影響，聲波發(fā)生了變化，不能夠接收到有效信號(hào)，嚴(yán)重影響了實(shí)測(cè)水深和流速的有效性，因此應(yīng)將ADP換能器放到冰底部51

7、5cm處，從所測(cè)得的流速相對(duì)穩(wěn)定，與機(jī)械流速儀測(cè)量值相對(duì)接近。遇到有冰花的冰孔，當(dāng)ADP換能器放在冰底，所發(fā)出的聲波通過(guò)冰水混合時(shí),改變了聲波的波長(zhǎng)，使ADP換能器不能接到原波長(zhǎng)的聲波，故將無(wú)法測(cè)到水深流速，應(yīng)將聲學(xué)多普勒流速儀放到冰花以下515cm處。對(duì)于有2層冰的冰孔,應(yīng)將ADP換能器應(yīng)放到二層冰下10cm處。ADP探頭放在距冰底距離較近時(shí)，探頭附近周?chē)谋裼锌赡芨哂谔筋^底部。ADP在實(shí)測(cè)過(guò)程中，第一個(gè)受噪音影響的速度點(diǎn)的速度值小于，等于零，這樣使頂部插補(bǔ)的曲線為零值的直線，測(cè)得的垂線平均流速也為。因此探頭應(yīng)放在冰孔底部以下10cm處。換能器放到冰孔的冰花下面，與實(shí)際旋漿式流速儀的實(shí)測(cè)結(jié)

8、果是相同的。應(yīng)將ADP探頭放在第三點(diǎn)流速的下面，不然就會(huì)出現(xiàn)有效水深變大，擬合的垂線流速曲線與實(shí)際情況不符，垂線平均流速變小。4概化外延垂線流速分布暴指數(shù)計(jì)算方法4.1概化垂線流速分布慕指數(shù)模型ADP使用RiverSurveyor軟件采集垂線120s數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量文件中，并以每0.25m為一個(gè)采樣單元對(duì)速度剖面進(jìn)行垂直積分，對(duì)每個(gè)采樣單元進(jìn)行平均，得到垂線的平均流速。ADP在進(jìn)行垂線測(cè)量過(guò)程中，實(shí)際測(cè)量的區(qū)域?yàn)閿嗝娴闹胁繀^(qū)域（中層），這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為ADP實(shí)測(cè)區(qū)。而在垂線上下兩個(gè)邊緣區(qū)域內(nèi),ADP由于受方法及現(xiàn)有技術(shù)的限制，不能提供測(cè)量數(shù)據(jù)或有效測(cè)量數(shù)據(jù)，因此存在上下兩個(gè)盲區(qū)。

9、第一個(gè)區(qū)域是靠近水面（表層）的盲區(qū)，由于換能器由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)時(shí)，需要一個(gè)時(shí)段，而在該時(shí)段內(nèi)，換能器附近水域的反射信號(hào)已經(jīng)返回，換能器來(lái)不及接收這些信息，且由于受冰層的漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測(cè)失真，因此形成了表層盲區(qū)，其厚度大約為從冰底到換能器底部及垂線第一個(gè)單元厚度之和，約為35cmo第二個(gè)區(qū)域是靠近河底（底層）的盲區(qū)，稱(chēng)為“旁瓣區(qū)”（河底對(duì)聲束的干擾區(qū)）。由于受河底漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測(cè)失真,盲區(qū)厚度取決于ADP聲束角，即換能器與ADP軸線的夾角。兩部分盲區(qū)其流速需要通過(guò)實(shí)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)外延來(lái)估算，均采用概化垂線流速分布蒂指數(shù)模型插補(bǔ)盲區(qū)流速曲線分布。根據(jù)不同水位級(jí)

10、精測(cè)法測(cè)點(diǎn)流速資料，采用概化指數(shù)流速分布公式求得:與=卜可式中"一某相對(duì)水深7?處的測(cè)點(diǎn)流速;垂線上最大測(cè)點(diǎn)流速,一般用垂線有效水深0.5位置點(diǎn)流速代替;7?相對(duì)水深，為Z/H,Z為測(cè)點(diǎn)離河底距離,H為水深(由河底起算)；幕函數(shù)指數(shù)。根據(jù)式(1)可確定幕指數(shù)6：1叫=10+6廚(2)將實(shí)測(cè)垂線點(diǎn)流速和對(duì)應(yīng)的相對(duì)水深7?點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，采用嘉指數(shù)公式擬合直線的斜率，即為居值，可用Excel宿函數(shù)取雙對(duì)數(shù)擬合,截距為IgTJ。按聲學(xué)多普勒流速剖面儀計(jì)算規(guī)則，微斷面(可近似看成垂線)深度平均流速式方向分1速垂線平均流速)按下式(3)計(jì)算：流速AnsT式中乙為最后一個(gè)有效單元的高度;乙為

11、河底至第一個(gè)有效單元的高度；h為測(cè)速垂線水深，n為單元長(zhǎng)度;為單元，中所測(cè)的多向流速分量,相當(dāng)于流速儀測(cè)速垂線上“測(cè)點(diǎn)流速為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),通常取0.1667OADP測(cè)流軟件根據(jù)測(cè)流過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定Zi,Z2,H0m等參數(shù)，唯有皋函數(shù)指數(shù)方是假設(shè)值。ADP設(shè)置文件中將蒂函數(shù)指數(shù)b值取為為常(b)數(shù)原因：一是黑龍江干流水文站的測(cè)驗(yàn)河段無(wú)相關(guān)資料，幕指數(shù)6不能確定；二是根據(jù)理論上明渠指數(shù)流速垂向分布曲線形狀，推薦假設(shè)。為常數(shù),主要出于斷面垂向流速分布的平均情況來(lái)考慮的。河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范(50179-93)中，推薦5=0.11-0.20；測(cè)站如無(wú)實(shí)測(cè)資料概化或準(zhǔn)確得出幕函數(shù)指數(shù)5值，也可采用8=0.16

12、67用于聲學(xué)多普勒流速剖面儀測(cè)流參數(shù)設(shè)置。表層有冰花冰孔的流速曲線與表層無(wú)冰花冰孔的流速曲線理論分布是不一致的，其主要原因是由于冰花和冰厚的摩阻系數(shù)不同，以及冰花空間分布所引起的。經(jīng)過(guò)比測(cè)試驗(yàn)確定有冰花的冰孔表層流速插補(bǔ)器函數(shù)指數(shù)b值為0.30-0.40之間，主要取于冰花空間分布的厚度和密度大小來(lái)具體確定。4.2垂線流速分布對(duì)比相同垂線下的ADP流速儀與旋漿式流速儀實(shí)測(cè)垂線流速分布對(duì)比見(jiàn)圖3,表lo2009年3月14日起點(diǎn)距為250m處帶有冰花的冰孔處水深為3.84m,冰厚1.40m,冰花厚為6(C)圖32009年3月14日起點(diǎn)距250m處垂堤流速分布圖表1ADP和旋漿式流速儀垂線平均流速比測(cè)

13、分析表ll/m水深/m冰厚/m流速儀三點(diǎn)法平均流速/mL流速儀十一點(diǎn)法平均流速/mgTADP平均流速/ms'903.630.400.620.650.631203.871.050.460.450.471503.721.200.340.330.351803.771.350.270.280.300.20mo圖3(a)為ADP實(shí)測(cè)流速分布，表層采皋函數(shù)指數(shù)6=0.16667值插補(bǔ)模型，平均流速為0.40m/s；圖3(b)為ADP實(shí)測(cè)流速分布，表層采幕(下轉(zhuǎn)第15頁(yè))m3/s),泄洪洞放300m7s,溢洪道6孔全開(kāi)。4第二泄洪洞參與泄洪后的調(diào)洪結(jié)果比較起調(diào)水位采用現(xiàn)行的主汛期限制水位129.00

14、m,按第二泄洪洞分別承擔(dān)100,200和300m3/s的泄流量進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，各頻率設(shè)計(jì)洪水的調(diào)洪結(jié)果及原洪水位列于表1。表1各頻率設(shè)計(jì)洪水的調(diào)洪結(jié)果洪水直湖/溢洪道臆/水位差現(xiàn)運(yùn)用/m辰大下泄疝/n?*$增100新調(diào)洪水位/m(129.00m起調(diào))增200耿泄蜀增300聚大泄量10000年137.894810】37.784860137.644860137.494870孔數(shù)/水位差660.1160.2560.401000年136.023780135.813630135.643135.483780孔故/水位差660.2160.3860.54100134.822150134.803510134.63

15、2310134.542380孔數(shù)/術(shù)位差660.0240.1940.285評(píng)134.682130134201640134.151830134.12600孔數(shù)/水位差420.4820.530.5620年134.201140133.18400132.75SOO132.33600孔數(shù)/水位差21.021.45187從表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著第二泄洪洞泄流量的增加，各頻率設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪水位較現(xiàn)運(yùn)用洪水位均有所降低，最大降幅1.87m,出現(xiàn)在20年一遇設(shè)計(jì)洪水；最小降幅0.11m,出現(xiàn)在10000年一遇設(shè)計(jì)洪水，說(shuō)明第二泄洪洞對(duì)頻率較高的設(shè)計(jì)洪水影響較小，對(duì)頻率較低的設(shè)計(jì)洪水影響較大。從100年設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪

16、結(jié)果看，當(dāng)?shù)诙购槎葱沽髁砍^(guò)200m7s時(shí)，溢洪道僅開(kāi)啟4孔，而現(xiàn)運(yùn)用情況下需開(kāi)啟6孔。從50年一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪結(jié)果看，溢洪道只開(kāi)啟2孔，并且最高洪水位均低于搬遷水位，而現(xiàn)運(yùn)用情況下需開(kāi)啟4孔。從20年一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪結(jié)果看,溢洪道不需泄洪,并且最高洪水位均未超過(guò)淹沒(méi)水位，而現(xiàn)運(yùn)用情況下需開(kāi)啟2孔泄洪，減少下泄流量50。1000m7s，起到了水庫(kù)調(diào)洪錯(cuò)峰的重要作用。不同頻率設(shè)計(jì)洪水的最高洪水位均高于興利水位131.00m,說(shuō)明在保證防洪安全的前提下，也保證了興利蓄水，實(shí)現(xiàn)防洪與興利的兼顧和統(tǒng)一。根據(jù)以上調(diào)洪和分析結(jié)果確定，第二泄洪洞對(duì)1000年以上設(shè)計(jì)洪水的調(diào)蓄作用較小，對(duì)100年以下設(shè)計(jì)洪

17、水的調(diào)蓄作用巨大，不但可以降低不同頻率洪水的最高洪水位，而且可以減少溢洪道開(kāi)孔數(shù)量，對(duì)下游河道堤防安全和減少上游淹沒(méi)范圍都將起到重要的保障作用，減災(zāi)效果明顯，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，所以，開(kāi)發(fā)第二泄洪洞非常重要,也非常必要。,收稿日期)2009-09-17作者簡(jiǎn)介楊明(I960-),男，遼寧省新實(shí)人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程工作。>>»>>»»»»»»»»>»>»»»>»>»>»&#

18、187;»>»»»»»>»>»»»>>»»>»»»»»»>>»>»»»»»>>>>>>>»>»-»»»»>»»»>»>»»>>»»»>>»>»（上接第6頁(yè)）函數(shù)指數(shù)6=0.40補(bǔ)模型，平均流速為0.38m/s；圖3(c)為旋漿式流速儀實(shí)測(cè)垂線流速分布，平均流速為0.37m/so從垂線流速分布和垂線平均流速可以說(shuō)明麝函數(shù)指數(shù)兄取0.16667時(shí)表層插補(bǔ)流速曲線與旋漿式流速儀不一致，與有冰花的理論流速曲線不符；幕函數(shù)指數(shù)E取0.40時(shí)表層插補(bǔ)流速曲線與旋漿式流速儀一致，與有冰花的理論流速曲線變化趨勢(shì)一致，能夠反映有冰花的冰孔表層流速的自然分布。根據(jù)地理位置、封江形勢(shì)、冰花分布初步擬定帶有冰