聲學(xué)多普勒流速儀在浙江水文中的應(yīng)用.docx

1、第30卷第1期2010年2月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGYVol.30No.Feb.,2010聲學(xué)多普勒流速儀在浙江水文中的應(yīng)用張裕海（浙江省水文局，浙江杭州310009）摘要：本文介紹了聲學(xué)多普勒流速儀在浙江省水丈系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。聲學(xué)多普勒測驗技術(shù)解決了錢塘江河口感潮地區(qū)流量測臉的難題，在平原河網(wǎng)應(yīng)用的穗定性也得到驗證，時于無穗定水位沆量關(guān)系的測站也提供了解決方案，但也存在一些應(yīng)用上的限制。關(guān)鍵詞：聲學(xué)多普勒流速儀；浙江；水史；應(yīng)用中圖分類號：P335文獻標識碼：A文章編號:1000-0852（2010）01-0051-051引言浙江省位于我國東南沿海，屬于亞熱帶季風氣

2、候區(qū)，陸域面積10.18萬km省境地勢呈西南高、東北低、自西南向東北逐級俯斜的特點。全省地形可分為浙北平原區(qū)、浙西中山丘陵區(qū)、浙東盆地低山區(qū)、浙中丘陵盆地區(qū)、浙南中山區(qū)、沿海丘陵平原區(qū)六個區(qū)。其中山丘區(qū)面積7.17萬km?,平原、盆地面積2.36萬kn?,河流、湖泊面積0.65萬km?,分別占70.4%,23.2%.6.4%。故有“七山一水二分田”之稱。浙江省內(nèi)河流眾多，集水面積在10km2以上的河流多達2442條，其中集水面積在1500km2以上且獨立入海（湖）者有7條，按河流大小，依次為：錢塘江、甌江、椒江、甬江、苕溪、飛云江、鰲江。除錢塘江發(fā)源于安徽省外，其余河流均發(fā)源于省內(nèi)，除苕溪人太

3、湖外，其余河流均1*接入海。獨流入海，上游坡陡流急，下游感潮是浙江河流的主要特點，因此，河口水文測驗是浙江水文的-項重要內(nèi)容；浙北平原地勢平坦，河流眾多，縱橫交錯，水系流向復(fù)雜，水文測驗方式具有不同于一般河道測羚的獨特性；近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水庫、堰閘、堤防等涉水工程建設(shè)規(guī)模和范圍不斷擴大，天然河流水文情勢發(fā)生很大變化，水文測驗工作面臨許多新的課聘。河口、平原水網(wǎng)和涉水工程河段斷面無穩(wěn)定的水位流址關(guān)系，采用傳統(tǒng)的流速儀測髭難以推算河道徑流帔，必須實施斷而流破全過程監(jiān)測。因而，采用聲學(xué)多普勒技術(shù)實施斷面流段實時全過程監(jiān)測成為首選的瞽代手段。2聲學(xué)多普勒測流原理AcousticDopp

4、lerCurrentProfilers簡稱ADCP,國內(nèi)常譯為聲學(xué)多普勒流速剖面儀，它一般配有四個（或三個）換能器，換能器與ADCP軸線成一定夾角，每個換能器即是發(fā)射器也是接收器。換能器發(fā)射的聲波具有指向性。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波。一般認定顆粒物的運動速度與水體流速相同，當顆粒物的運動方向是接近換能器時，換能器聆聽到的何波頻率比發(fā)射波頻率高；當顆粒物的運動方向是背離換能器時，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波頻率低。聲學(xué)多普勒頻移，即回波頻率與發(fā)射波頻率之差，由下式確定：&2F?（1）式中：為聲學(xué)多普勒頻移/為發(fā)射波頻率；y為顆粒物沿聲速方向的移

5、動速度；c為聲波在水中的傳播速度。ADCP每個聲速軸線即為一個聲束坐標。每個換能器測驗的流速是水流沿其聲束坐標方向的流速分最。任意三個聲束軸線組成一組相互獨立的空間聲束坐標系。另外，ADCP自身定義有直角坐標系:x-y-zoz方向與ADCP軸線方向一致。ADCP首先測出沿某一聲束坐標的流速分蚯，然后利用聲束坐標與坐標之間的變換關(guān)系（取決于聲束布）將聲束坐標系下的流速分M轉(zhuǎn)換為-r-z坐標系下的流速分最，再利用羅盤和傾斜計提供的方向和傾斜數(shù)據(jù)將x-y-z坐標系下的流速分量轉(zhuǎn)換為地球坐標系下的流速分量。3應(yīng)用概況隨著聲學(xué)多普勒測流技術(shù)的日臻成熟，ADCP尺寸和重最大大減小，價格也大大降低，在國內(nèi)得

6、到日益普遍地應(yīng)用，并取得了良好的效果。浙江省在國內(nèi)屬于經(jīng)濟較發(fā)達省份，國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，從社會需求和水文投入兩方面都對水文測驗設(shè)備收稿日期：2009-02-02作者簡介：張裕海（】954-）.男.山東微山人.大學(xué)本科.學(xué)士.高級T.程師，主要從事水文測驗、水文資料整編、水文遙測技術(shù)研究和管理，的更新提供了機遇和條件。為了滿足浙江省不同類型河道測流的適用性和現(xiàn)代化流量儀器選型的需要，我們在2000年初將聲學(xué)多普勒流速儀作為改變落后測流設(shè)備的首選儀器。選用聲學(xué)多普勒流速儀測流，一是基于該技術(shù)在當今世界上流域測駛新技術(shù)中具有代表性，具有實時全過程監(jiān)測、在線遠傳、計算機聯(lián)機運算和成果打印存儲等傳統(tǒng)測

7、流方法難以實現(xiàn)的功能，極大地提高了測流效率和時效性，避免人為因素造成的數(shù)據(jù)差錯，減輕了水文工作者的勞動強度；更為重要的是該技術(shù)解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的我省部分河段測臉雄題，從而更好地為浙江省防汛預(yù)報和水資源分析計算提供了技術(shù)支持。4典型測站介紹在此，我們選取浙江省具有代表性的三個典型水文測站進行介紹，分別為：之江水文站、青陽匯水文站和瓶窯水文站。4.1之江水文站之江水文站位于錢塘江河口地區(qū)，是感潮站，集水面積41800km2,是錢塘江入海水充的控制站。之江水文站典型的時間水位、時間流信過程如圖1所示。該站曾經(jīng)采用動船法測圖1之江水文站典型的時間水位、時間流脈曲線Fig.1Thetypicalc

8、urvesoftime-waterlevelandtime-dischargefromZhijianghydrologicalstation流，但由于錢塘江特殊的地形，受河口區(qū)涌潮影響，流速變化較快及江中通航船舶來往頻繁的影響等，給測船沿斷面線行駛及拋錨作業(yè)造成較大困難，測驗精度難以滿足水文測驗規(guī)范的要求。2007年該站裝備美國維塞儀器公司生產(chǎn)的頻率為500kHz的岸式多普勒流速儀Argonaut-SL兩臺，走航式多普勒測流系統(tǒng)RiverCat（中文名：河貓）兩套，頻率為lMHz、1.5MHz的各一套。采用指標流速關(guān)系法測流，即在岸式多普勒流速儀Arg.onaut-SL施測（測出指標流速）的同

9、時，用走航式多普勒測流系統(tǒng)RiverCat進行率定，確定兩者間的相關(guān)關(guān)系Vf（"）,（式中：V&為指標流速；七為RiverCat測得的同步流速），然后用指標流速進行推流計算。為了得到斷面平均流速與指標流速間的關(guān)系，用RiverCat測出的流量除以水位面積曲線上查得的面積，得到斷面時段平均流速數(shù)據(jù)c=Q/4,（式中：七為斷面時段平均流速，Qc為RiveiC砒測得的流量數(shù)據(jù)/為斷面面積）。具體計算方法：如2008年6月10022點40分至23點25分用走航式多普勒-河貓沿之江水文站測流斷面走航兩個測回，得出流M（h760ms/s,根據(jù)該時間段的相應(yīng)水位6.47m查出斷面面積4=7

10、600m2,流配除以面積得到斷面平均流速V=0.89m/s,然后對岸式聲學(xué)多普勒測流儀在該時間段內(nèi)的流速數(shù)據(jù)進行平均，得到一個指標流速Vs.=0.81m/8,在各個不同水位和流信條件下進行流最測驗，并進行以上計算，就可以得到一組斷面平均流速與指標流速的數(shù)據(jù)，對這一組數(shù)據(jù)進行回歸分析（采用最小二乘法），得到一個指標流速關(guān)系，如圖2所示。通過此關(guān)系曲線計算斷面的平均流速，再乘以斷面面積，從而算得各時段流量。加權(quán)平均后流速(m/s)圖2之江水文站指標流速關(guān)系曲線Fig.2Thecurvesofindex-velocityfromZhijianghydrologicalstation加權(quán)平均后流速(m

11、/s)圖2之江水文站指標流速關(guān)系曲線Fig.2Thecurvesofindex-velocityfromZhijianghydrologicalstation«至)弟射敦u-'e再通過各種不同水位和漲落潮址情況下的比測，該站初步得到了指標流速關(guān)系，并確定了按權(quán)計算流址的方法，相關(guān)系數(shù)為0.9984,三種檢驗均通過，隨機不確定度為13.2%,達到了規(guī)范的要求。由于錢塘江潮水的特殊性，錢塘江的入海流魅歷年都是根據(jù)富春江電站出庫流鍛和分水江水文站的年徑流資料按照一定比例通過水文計算推算出來的，缺少實測數(shù)據(jù)，難免存在誤差，真實性不強。采用聲學(xué)多普勒測流儀后，使得實測錢塘江流量資料變?yōu)?/p>

12、了現(xiàn)實，實現(xiàn)了錢塘江流域的年入海徑流最控制，從而為錢塘江河口的科學(xué)規(guī)劃和治理，流域防汛調(diào)度，監(jiān)測河口水質(zhì)污染物輸送量和保證杭州市的供水安全，有效保護和利用錢塘江河口水資源等提供了基礎(chǔ)資料。4.2青陽匯水文站育陽匯水文站位于杭嘉湖東部平原感潮河段，是杭嘉湖東部平原入黃浦江的主要控制站之一，控制匕海塘年潮流量的吞吐情況，2007年列入太湖局與浙江省共建共管水文站。青陽匯水文站典型的時間水位、時間流質(zhì)過程如圖3所示。青陽匯水文站測驗河段順直，長約3.5km,測流斷面規(guī)則、穩(wěn)定，常水位時河寬73.5m,平均潮差0.52m,平均潮流量135nP/s,平均漲潮流歷時4小時10分，落潮流歷時8小時15分，是

13、典型的半日混合型潮.該站2003年10月安裝頻率為1.5MHz的Argonaut-SL,通過流速儀法測流比測后投入使用。2005年8月711日，用機械式流速儀采用多線多點精測法進行了連續(xù)8個潮期的全潮流測驗，比較系統(tǒng)地將聲學(xué)多普勒流速儀測獨的潮流址、潮流歷時.潮伊資料與機械式流速儀進行了對比分析C全潮流測驗點漲潮流為47次、落潮流為106次，全部參加相關(guān)線檢驗。由流速儀法實測斷而平均流量和多普勒測流儀計算的斷面平均流最進行比較。并嚴格按水文資料整編規(guī)范要求進行精度分析、標準差計算及符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，分析成果見表1。結(jié)果表明：率定線檢驗統(tǒng)計量均小于臨界值，三種檢驗通過。表1漲、落

14、潮的潮流相關(guān)線三種檢或及誤差評定表Tabel1Threewaysofexaminationandeirorevaluationofrisingtideandebbtideflowraterelatedline臨界值漲潮流47次落湖流106次統(tǒng)計址評定統(tǒng)計扯評定符號檢驗1.150.122通過1.07通過適線檢驗1.280.147通過-0.976通過偏烈數(shù)值檢驗1.300.391通過0.539通過測點標準差0.7485.44系統(tǒng)誤差-U+IJ-0.66通過-0.283通過州M拾W±8%占總數(shù)80.9%占總數(shù)86.8%<±10%占總數(shù)89.4%占總數(shù)91.2%4.3瓶窯水文

15、站瓶窯水文站是東苕溪的主要控制站，集水面積1420km2,其斷面上下游分別受青山水庫、南北湖滯洪區(qū)、德清大閘、上牽埠船閘及周圍的瓶窯、塘棲、臨平三個水廠取水曰等多種因素影響，水位流魚關(guān)系復(fù)雜，一直以來采用連時序法進行流最資料整編，用實測流量過程線進行年徑流域推流，年測流次數(shù)一般在500次以上，測驗任務(wù)相當繁重。2006年，該站采用底置式聲學(xué)多普勒流速儀測流，并與傳統(tǒng)的機械式流速儀進行了比測，比測結(jié)果見圖4所示，圖中V多表示聲學(xué)多普勒流速儀所測流速,V第表示斷面平均流速。00.5Vc(m/s)00.5Vc(m/s)系列1線性（系列1）由表1可知，漲潮流在全部測次47中，有80.9%的測次誤差在&

16、#177;8%以內(nèi)，有89.4%的測次誤差在±10%以內(nèi)；落潮流在全部測次】06中，有86.8%的測次誤差在±8%以內(nèi)，有91.2%的測次誤差在±10%以內(nèi)。相關(guān)線潮流域資料達到水文資料整編規(guī)范國家-類水文站的精度要求。聲學(xué)多普勒流速儀在平原感潮河段和平原河網(wǎng)區(qū)的水文測駛中，在具有正逆向流速且水位值變幅不大的斷面測量，充分顯示r該儀器的適應(yīng)性和先進性?？谇霸诩闻d市境內(nèi)的平原河網(wǎng)和潮流量測驗中，已基本普及應(yīng)用了聲學(xué)多普勒測流儀技術(shù).為掌握平原河網(wǎng)地區(qū)的各河道進出水段，分析平原地區(qū)的地表水的運動規(guī)律，合理升發(fā)水資源、進而為太湖流域的綜合治理規(guī)劃提供可靠技術(shù)支撐。潮水位

17、過程線日9月8月期2005年8月7-11日潮流量過程線圖3青陽匯水文站典型的水位時間、水位流依過程Fig.3lietypicalcurvesofwaterlevel-timeandwaterlevel-dischargefromQingyanghuiHydrologicalStation圖4瓶窯水文站V.與回歸關(guān)系圖Fig.4RegressiononrelationsbetweenV*andV«fromPinyaohydrologicalstatoin在瓶簾水文站利用戊學(xué)多普勒流速儀測駛的流速數(shù)據(jù)在精確度和準確度上都有比較好的表現(xiàn)，具備指標代表性，可以使用相關(guān)公式把實時的聲學(xué)多普勒流

18、速儀指標流速數(shù)據(jù)計算為斷面平均流速，不但大大減輕了測站人員的工作強度，也提高了洪水要素測驗的實肘性,為流域洪水預(yù)報和防汛指揮調(diào)度增加了預(yù)見期。5運用聲學(xué)多普勒實現(xiàn)流量遠程實時監(jiān)測全程在線實時測流是聲學(xué)多普勒的一個突出功能。為此，我省開發(fā)建設(shè)了“浙江省河道流域自動監(jiān)測網(wǎng)”系統(tǒng)，系統(tǒng)利用測站RTU終端、GPRS和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并開發(fā)相應(yīng)的通信和運算軟件，通過已建的省級防汛通信平臺，實現(xiàn)了部分測流精度較好的站點的流俄數(shù)據(jù)實時遠傳，口前已接入浙北平原的】6個站點的流信信息，隨著聲學(xué)多普勒設(shè)備的進一步推廣普及和流成成果的率定，今后將逐步在全省推開。系統(tǒng)部分頁面如圖5、圖6所示。6結(jié)語聲學(xué)多普勒測流儀作為一種

19、新型的水文測驗儀器，目前在浙江得到了較為普遍的應(yīng)用，作為傳統(tǒng)測驗方式的補充和替代，不但提高了流量資料的完整性和可怠性，減輕r勞動強度，提高了測流成果的時效性，還解決了復(fù)雜斷面的測流難題，使水文測量的領(lǐng)域和范圍得以拓展，為摸清不同河流的水流態(tài)勢，掌握全省水資源總坦，進而為水資源的合理開發(fā)利用提供水文技術(shù)支持。當前，我省諸多河段受水利工程等人類活動影響，水文測驗環(huán)境改變.中低水無法采用關(guān)系線推流，推廣采用聲學(xué)多普勒測圖5浙江省河道流就自動監(jiān)測網(wǎng)苜頁裁圖Fig.5SectionaldrawingofthehomepageoftheautomaticmonitoringnetonZhejiang

20、9;sriverflowrate翌苣4費厘2009-06-22170357200906-23035357圖6浙江省河道流18自動監(jiān)測網(wǎng)實時流量裁圖Fig.6SectionaldrawingofrealtimeflowratefromtheautomaticmonitoringnetonZhejiang'sriverflowrate流儀不失為一個解決途徑。在省內(nèi)推廣使用多普勒測流儀的過程中，我們認為聲學(xué)多普勒流速儀的應(yīng)用上還有其局限性，岸式多普勒在水位變幅較大的河段，尤其是對于暴漲暴落的山溪性河流.由于受斷面垂直流速分布和斷面河寬的變化影響，其指標流速的測速質(zhì)點失去了代表性，引起數(shù)值失真

21、。如何尋求不同河段的指標流速與水位漲落之間的規(guī)律關(guān)系，在理論和實踐E還有待研究。我們曾采用升降岸式多普勒的方法使之保持在一定水深比例的位置，取得了一定的效果，但操作起來比較麻煩，對河寬變幅較大的河段仍存在數(shù)值偏差。此外，對一些漂浮物和航運繁忙的河段測址流速也應(yīng)合理捕捉時機，對成果進行人工靠別過濾。因此.對聲學(xué)多普勒流速儀的應(yīng)用推廣還需在理論上和實際應(yīng)用中不斷進行研究探索，使其更好地服務(wù)于水文現(xiàn)代化事業(yè)。參考文獻：(1 SL337-2OO6.聲學(xué)多普勒流抵測弟規(guī)范IS.(SL337-2006,CodeforDischargeMeasurementofAcousticDopplerCurrentS

22、.(inChinese)GB5O179-93，河流流般測較規(guī)范S).(GB50179-93,CodeforLiquidFlowMeasurmentinOpenChannels.S(inChinese)|31SL247-1999.水文資料整編規(guī)范IS1.(SI247-1999.CodeforHydro-第1期logicDataCompilutionSJ.(inChinese)4|張照余.聲學(xué)多普勒測流儀在平原感潮河段中的測驗穩(wěn)定性驗證J.浙江水利科技，2006,148(6):47-49.(ZHANCZhao-yu.ApplicationofDopplerAcousticFlowMeasuring

23、DevicetotidalreachinplainareaJ.ZhejiangHydrolechnics,2006.148：47-49.(inChinese)5J杜麗云.多普勒測流儀在瓶窯站的應(yīng)用分析幾浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報,2007,19(1):56-58.(DULi-yun.ApplicationofADCPFlowMeasuringDeviceinPingyaomonitoringstatoinJ.JournalofZhejiangWaterConservancyandHydropowerCc>llcge,2007,19(1):56-58.(inChinese)|6浙江省水文志編

24、纂委員會.浙江省水文志M.北京:中華書2000.(CommitteeofHydrologicalChroniclesofZhejiangProvince.Hydrological55ChroniclesofZhejiangProvinceM.Beijing:ChinesePublishingHouse,20CX).(inChinese)7J田淳.劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用MJ.鄭州：黃河水利出版社2003：181-182.(TIANChun,DUShao-hua.TheWorkingPrincipleoftheAcousticDopplerCurrentProfileranditsAp

25、plicationsM.Zhengzhou:YellowRiverConservancyPrrss»2003:181-182.(inChinese)|8陳典林，趙德友，盧玉成.Argonaut-SL聲學(xué)多普勒流扯實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用與研究UL水利水電快報，2003.增刊.(CHENXi-lin,ZHAODe-you.LUYu-cheng.HieapplicationandinvestigationofArgonaut-SLADCPreal-timemonitoringsystemfordischargeJ.Expre&sWaterResources&Hydropowe

26、rInfonnalion,2003.supplementaryissue,(inChinese)ApplicationoftheAcousticDopplerCurrentProfilerinHydrometryinZhejiangProvinceZHANGYu-hai(HydrologyBureauofZhejiangProvince,Hangzhou310009,China)Abstract：ThispaperanalyzedtheapplicationoftheacousticDopplercurrentprofiler(ADCP)inhydrometryinZhejiangProvin

27、ce.ThetechnologynotonlysolvestheproblemofdischaiemeasurementsatQiantangEstuary,butalsovalidatesthestabilityintheapplicationsofplainrivernetwork.Meanwhile,itprovidesthesolutionsforthehydrometrystation.whichisnotsteadybetweenwaterlevelanddischarge.However,thereexiststhelimitationinsomeapplicationofthe

28、technologyofdischargemeasurementbyADCP.Keywords:AcousticDopplerCurrentProfiler；Zhejiang；hydrology;application(上接第50頁)Shanghai:ShanghaiScientific&TechnicalPublishers,1988.(inChinese)14王西琴，劉昌明，播志峰.生態(tài)及環(huán)境需水址研究進履與前瞻J.水科學(xué)進展,2002,13(4):507512.(WANGXi-qin.LIUChang-ming.YANGZhi-feng.Researchadvanceinecol

29、曬calwaterdemandandenvironmentalwaterdenuindJj.AdvanceinWaterScience,2002,13(4):507一512.(inChinese)(5J姜景玲，范曉秋.城市生態(tài)環(huán)境需水續(xù)的計算方法J.河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,1(1):14-17.(JIANGCui-Ung,FANXiao-qiu.Calculationmethodforurtianeco-environmentwaterdemandJJJournalofHohaiUniversity(NaturalSciences),2004,1(1):1417.(inChine

30、se)6逢勇，程坊，趙玉擇.略地水庫文官至石角段水環(huán)境容址研究J.河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,31(1):7679.(PANGYong.CHENGWei»ZHAOYu-ping.CalculationofwaterenvironmentcapacityforWen-guantoShijiaosectionofHediRcstervoir|J|JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences),2003,31(1):7679.(inChinese)ModelingofWaterResourcesCarryingCapacityinSuzhouCityCHENGLi,WANGDe-guan(CenterofHydraulicsandFluidDynamics,CollegeofMaterialSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing21009,China)Abstract:Basedonthec