走航式多普勒流速剖面儀在水文測驗中的應用.docx

1、DOI：10.16616/ki.10-1326/TV.2017.04.017走航式多普勒流速剖面儀在水文測驗中的應用(華北電力大學，北京102206)【摘要】多普勒流速剖面儀(DopplerCurrentProfiler)是世界先進和快速有效的測流儀器。本文通過分析聲學多普勒流速剖面儀的測流原理，與傳統(tǒng)測流方法對比聲學多普勒流速剖面儀。通過大創(chuàng)項目，結合山東濱海地區(qū)河流的實際測流，主要探討了聲學多普勒流速剖面儀(AcousticDopplerCurrentProfiler,AMP)的突出優(yōu)點。ADCP的合理使用可以為未來河道開發(fā)治理、水資源管理和防洪減災提供科學依據(jù)?！娟P鍵詞】聲學多普勒流速剖

2、面儀；新儀器；比測試驗中圖分類號：TV123文獻標志碼：A文章編號：2096-0131(2017)04-0051-04ApplicationofunderwayDopplerCurrentProfilerinhydrometryWANGRuohan,LIJiqing(NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)Abstract:DopplerCurrentProfilerisaworld-advanced,quickandeffectivecurrentmeasurementinstrument.Inthepaper,theaco

3、usticDopplercurrentprofileriscomparedwithtraditionalcurrentmeasurementmethodsthroughanalyzingcurrentmeasurementprinciplesofacousticDopplercurrentprofiler.CombinedwithactualcurrentmeasurementofriversinShandongcoastalareathroughDachuangprojects,prominentadvantagesofAcousticDopplerCurrentProfiler(ADCP)

4、arediscussedmainly.RationalapplicationofADPcanprovidescientificbasisforriverdevelopmentgovernance,waterresourcesmanagement,floodcontrolanddisasteralleviationinthefuture.Keywords:ADCP；newinstrument；comparativetest1引言水是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質資源之一。水址的獲取途徑主要通過流量的觀測，因此，快速、準確地開展河流流最測驗,是我國水資源管理以及防汛抗旱等

5、水文工作的前提。流量測驗是水文水資源行業(yè)的重要工作任務之一，傳統(tǒng)測流方法主要有流速儀面積法、浮標法、比降面積法、水力學方法等，測驗手段有船測、橋測、纜道、涉水等方式，這些方法普遍落后、信息化水平低，不能很好地適應新時期水文測報快速、準確、精度高、任務多的要求。聲學多普勒流速剖面儀(AcousticDopplerCurrentProfiler,®稱ADCP)測流儀器的引進較好地解決了這一問題。ADCP具有精度高、速度快、信息化水平高等突出優(yōu)勢。在發(fā)生洪水，尤其是大洪水時，河道漂浮物較多,傳統(tǒng)測流方法不適應，而ADCP可以快速準確測量水的流速和流量，更好地為各級政府部門作出防汛決策提供準

6、確可靠的科技支撐本文通過分析ADCP的測流原理，與傳統(tǒng)測流方法對比，結合山東濱海地區(qū)河流的實際測流，分析探討rADCP的突出優(yōu)點和應用前景2ADCP測流原理ADCP是現(xiàn)今世界先進測流儀器的典型，當使用ADCP沿任一航跡穿過河流某-斷面時，能在短時間內迅速測M出該斷面流ht和某點流速.通過與電腦的連接.利用WinRiver軟件迅速地將圖生成并顯示。該儀器性能穩(wěn)定，高效快速.遠勝傳統(tǒng)機械式的測流儀器，1'12()世紀90年代初引進我國，至今已在我國的河流、湖泊、海洋等的水體流ht測驗中廣泛應用，特別是在潮汐河段的水文測驗中應用較多ADCP通過向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖.利用水中顆粒的1

7、叫波頻率來測技流速，在碰到水中的顆粒物時.發(fā)射的聲波脈沖會發(fā)生背散射，ADCP接受到回波信號并處理得到流速adcpn.先測依的是沿/$束方向的流速分仙利用聲束的將聲束坐標下的流速分量轉換成ADCP坐標下的流速分址，繼而通過羅盤提供的方向、傾斜計提供的縱搖和橫搖數(shù)據(jù).將ADCP坐標卜的流速分代轉換成地球坐標下的流速分ht。我們使用的ADCP配備有四個換能器，與ADCP軸線成-定心，每個換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波。假定顆粒物的運動速度與水體流速相同。當顆粒物從遠處接近換能器時，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高'，顆粒物背離換能器運動時.換能器接收到的1»1波頻率比發(fā)射波頻率

8、低，因顆粒物的運動而引起頻率的改變稱為聲學多普勒頻移,ADCP測流時實測區(qū)、非實測區(qū)、微斷面及單元布置見圖I。圖1ADCP突測區(qū)、非實測區(qū)、微斷面、單元示意ADCP計算流ht基于如下公式：。，=(匕K)A&山(1)式中Q,除去岸邊非實測區(qū)后.從測驗起點至測捻終點的總流bt;匕一測船航跡斷而某微元處流速矢ht;dz一肅向微元長度；山時間微元；V測船速度矢量；T測船從測驗起點至終點的航行時間；d水的深度；k垂向坐標單位矢ht°3ADCP與傳統(tǒng)測流儀器應用對比實例3.1應用實例濱州市位于黃河三角洲腹地，是山東省的北大門，面積9600kmAll380萬，是黃河三角洲區(qū)域內最大的行政區(qū)

9、，全市河流按流域劃分.除黃河及灘地歸黃河流域外，以黃河為界.南部為淮河流域,北部為海河流域，淮河流域主要有小清河、北支新河、孝婦河、杏花河、預備河、支脈河6條河流。海河流域內主要有德惠新河、徒駭河、潮河等河流。a. 德惠新河位于徒駭河、馬頰河之間.由于該河流經(jīng)德州、濱州兩地區(qū)，所以稱為德惠新河。該河河道總長77.6km,流域面積135.4km，。b. 徒駭河源于像仰交界處的聊城市莘縣文明寨村東，自惠民縣淄角鎮(zhèn)尊河郡村入濱州市境內，在沾化區(qū)濱海鄉(xiāng)西山后村北與秦口河匯流，經(jīng)套兒河至暴風站北入渤海.全長436km,流域面積13638km2.其中濱州市境內河段長度150.Ikm,流域面積4677.6k

10、m2o該河是黃河以北的一條主要防洪排澇河道，c. 潮河是黃河與徒駭河之間人工開挖的一條獨流入海的排水河道，全K75.46km中濱州市境內流域面積1241.3km2o主要支流有西沙河、新立河、秦臺干溝、朝陽河等°本次選取徒駭河堡集閘、德惠新河白鶴觀閘、潮河賈家水文站斷面進行了流低對比測驗。3.2ADCP測流ADCP需要結合WinRiver及BBTalk軟件一起使用,WinRiver軟件是ADCP數(shù)據(jù)處理的£要軟件，使用界而截圖見圖2。BBTalk是-種超級終端軟件，叩以利用I'接指令來操作ADCP,主要用于設定和檢測ADCP。一般要求在每次測缺前（下水前）都要運行BB

11、Talk軟件來對ADCP進行檢測,從而保證設備的正?？煽窟\行。圖2WinRiver軟件使用界面截圖3.3ADCP與傳統(tǒng)測流儀器對比ADCP與傳統(tǒng)流速儀測驗對比統(tǒng)計見下頁表。實際測流時分兩組進行，一組使用ADCP進行測流.另一組使用機械式測速儀。測流進行過程中，發(fā)現(xiàn)使用機械式測速儀的一組對于同一個斷面、不同的測流方向也會得到不同的數(shù)據(jù)，表明機械式測速儀所測得的數(shù)據(jù)有極大的不穩(wěn)定性。相比之下，ADCP可以通過其多普勒原理.利用發(fā)射聲波的方式，使其獲得的數(shù)據(jù)在任何方向都有著一致性。ADCP不受其航線的影響.不光可以高效輕松地測h整個斷面的流速，也可以同時瞬間將斷面的流ht測出，并直接繪出斷面流速航跡

12、合成圖。而使用機械式測速儀，要在不同的測量位置投放多次.浪豹大ht的人力。通過數(shù)據(jù)對比分析.ADCP實測流情自測垂夏偏差最大只有2.9%,ADCP實測流量多次(24次)均值與傳統(tǒng)流速儀施測流量相差在±5%以內，ADCP實測流量比傳統(tǒng)流速儀法節(jié)時約60%-75%,這說明ADCP性能可靠，精度較高，節(jié)約時間，在水草嚴重的江段使用仍然能夠快速地進行流量測驗，精度高于水文測驗規(guī)范要求。臺ADCP相當于多個測速儀，因此在水文測驗中使用ADCP可以達到高效節(jié)省人力的效果，使水文測驗事半功倍。時間斷面位置所在河流流量/3/s)歷時/分測驗次數(shù)日期時分ADCP流速儀相對誤差/%ADCP流速儀節(jié)時率/

13、%測驗12014年8月22日10：32堡集閘徒駭河10196.84.34154566.72014年8月22日11:26賈家潮河74.373.51.09103066.72014年8月22日13：31白鶴觀閘德惠新河162164-1.22165470.4測驗22014年8月25日11：07堡集閘徒駭河97.698.5-0.91145675.02014年8月25日12：01賈家潮河76.874.53.0983577.12014年8月25日14：29白鶴觀閘德惠新河1491471.36145875.9ADCP與傳統(tǒng)測流儀流測驗對比統(tǒng)計表當然,應在中水和含沙量小的河流中使用ADCP,投放時避免與水草纏繞

14、。在堰閘等水工建筑物下游測流時，測流斷面應避開波浪及回水較大的區(qū)域，以免產(chǎn)生測流盲區(qū)。4結語通過ADCP與傳統(tǒng)機械式方法的測流的一系列對比，發(fā)現(xiàn)ADCP滿足精度要求，具有測量快速、不干擾水體、極少受天氣影響等優(yōu)點，是一種快速有效的測流裝置,在水文測驗中，特別是洪水測驗中可大力推廣使用，為未來河道開發(fā)治理、水資源管理和防洪減災提供科學依據(jù)。妙(上接第47頁)八棵樹站多年平均含沙雖為0.478kg/m3,多年平均懸移質年輸沙量為23.3萬t。清河水庫多年平均含沙量按兩站面積加權法推求，多年平均懸移質年輸沙量按兩站相加再面積比方法推求，則清河水庫多年平均含沙量為0.632kg/m多年平均懸移質年輸沙量50.55萬t,多年平均年輸沙模數(shù)為213t/km2°清河水庫多年平均推移質年輸沙量按懸移質年輸沙量的15%考慮，則清河水庫多年平均年總沙敝為58.13萬t。#參考文獻1 中華人民共和國水利部.GB50179-2015河流流量測驗規(guī)范S.北京：中國計劃出版社,2015.2 李志敏.ADCP流域測驗應用研究J.廣西水利水電,2003(3)：7-10.3 謝波，田岳明，葉建紅-ADCP河流流址測驗及其誤差分析J.水資源研究,2007(4):35-36.4 饒西平.ADCP測流與傳統(tǒng)測流的對比及應用J.科技咨詢,2012(6):96.