王 瑩，王 韋華，蘇文峰

(佳木斯水文局，黑龍江佳木斯154002)

“河貓”是由美國(guó)SonTeK公司生產(chǎn);原中文釋名為“河流調(diào)查者”。有效利用“河貓”的特性和優(yōu)點(diǎn)，把它應(yīng)用到大小河道流量測(cè)量和斷面測(cè)量中，可以在搶測(cè)洪峰、城市防洪、引水和水資源優(yōu)化配置中發(fā)揮很好的作用?！昂迂垺钡氖褂锰攸c(diǎn)是測(cè)驗(yàn)時(shí)間短，精度高，易操作。只需測(cè)量船牽引“河貓”從斷面的一側(cè)行駛至另一側(cè)即可測(cè)到水道斷面的三維數(shù)據(jù)剖面圖及流量數(shù)據(jù)，較之流速儀測(cè)流，大幅度縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，從而降低工作成本，提高水文工作的效率，加速水文事業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。

1 測(cè)驗(yàn)原理和方法

1.1 測(cè)驗(yàn)原理

“河貓”測(cè)量基本原理是物理學(xué)中的聲學(xué)多普勒效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)聲源在移動(dòng)時(shí)，它相對(duì)于接收者的頻率將因?yàn)樵诮橘|(zhì)中傳播而發(fā)生相應(yīng)變化。其頻率為:

式中:f1為變化后接收者收到的頻率;f為波源的固有頻率;u為波在靜止介質(zhì)中的傳播速度;ν0為測(cè)量者相對(duì)于介質(zhì)的速度;νs為波源相對(duì)于介質(zhì)的傳播速度。

在水流速度不是很大、河底沒(méi)有流沙的河道，“河貓”采用底跟蹤系統(tǒng)對(duì)反射回來(lái)的聲波信號(hào)進(jìn)行處理?！昂迂垺蓖ㄟ^(guò)接收和處理河底反射回來(lái)的信號(hào)來(lái)確定船體的絕對(duì)速度和實(shí)測(cè)斷面處的平均水深，并通過(guò)接收和處理斷面水體中的顆粒物反射回來(lái)的信號(hào)來(lái)確定水流相對(duì)于“河貓”的速度，從而得出水流的絕對(duì)速度。

1.2 測(cè)驗(yàn)方法

測(cè)量中，可以將“河貓”用船體拖拉、人工拖拉或纜道拖拉的方法在實(shí)測(cè)斷面上行駛，將信號(hào)接收器放在岸上無(wú)線(xiàn)接收或在船上無(wú)線(xiàn)接收采集數(shù)據(jù)。無(wú)線(xiàn)采集數(shù)據(jù)的方式為搶測(cè)洪峰提供了安全保障。

2 “河貓”的設(shè)備和技術(shù)參數(shù)

2.1 硬件設(shè)備

以1.5MHZ“河貓”為例，一套完整的“河貓”設(shè)備主要由8個(gè)部分組成:①3個(gè)直徑約6cm的換能器;②數(shù)據(jù)處理器(CPU);③信號(hào)傳輸電纜;④底跟蹤定位系統(tǒng);⑤DGPS定位系統(tǒng);⑥無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸接收器及電瓶;⑦配套船體;⑧便攜式電腦。

2.2 系統(tǒng)軟件(Riversurveyor)

Riversurveyor是“河貓”運(yùn)行、操作軟件，在Windows環(huán)境下運(yùn)行，內(nèi)含水溫、水壓、流速、導(dǎo)航及流量處理模塊。使用時(shí)可進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。它的重要功能之一是將通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收器接收到的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，這樣就可以一目了然地看到實(shí)時(shí)流量、流速及施測(cè)斷面情況、“河貓”運(yùn)動(dòng)方向和水深隨時(shí)間的變化情況，方便掌握河流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和調(diào)整“河貓”使之保持在斷面上的正確運(yùn)行。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

1)流速:測(cè)量范圍是±10 m/s，準(zhǔn)確度為所測(cè)流速之±1%;分辨率為0.1 cm/s;精度為±0.5 m/s。

2)水深:測(cè)深范圍在0.5～25 m。

3)溫度:分辨率為0.01℃;精度為0.1℃。

4)環(huán)境要求:工作溫度在 －5℃ ～40℃;存放溫度在－10℃～50℃。

5)電源:輸入電源為12V直流。

6)壓力探頭:應(yīng)變式在±0.1%精度;RPT式在±0.01%精度。

3 比測(cè)實(shí)例

為了驗(yàn)證“河貓”的測(cè)驗(yàn)精度，在佳木斯水文站利用流速儀法與用“河貓”測(cè)流法進(jìn)行了比測(cè)。佳木斯水文站斷面規(guī)整，河床穩(wěn)定，水流條件好，歷年來(lái)水位—流量關(guān)系均為單一的關(guān)系曲線(xiàn)，含沙量較小且沖淤變化相對(duì)較小。

3.1 流量比測(cè)

佳木斯水文站自2003年引進(jìn)“河貓”以來(lái)，在各水位級(jí)采用兩種設(shè)備進(jìn)行多次對(duì)比試驗(yàn)。在對(duì)比資料中，挑選部分比較具有代表性的資料成果(見(jiàn)表1)為研究對(duì)象，分析其在大、中型江河流量測(cè)驗(yàn)中的適用性。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 “河貓”測(cè)流

用非金屬測(cè)量船牽引，按SL 337—2006的要求，及測(cè)驗(yàn)斷面的河流特性，在不同水位級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，以4次單程測(cè)流的平均值，來(lái)確定實(shí)測(cè)流量(見(jiàn)表1)。各參數(shù)數(shù)據(jù)的設(shè)置范圍:深度單元數(shù)20～30;脈沖時(shí)間間隔5 s;深度單元尺寸6～8 m;岸邊系數(shù)均取0.7;換能器入水深度0.10～0.15 m;最小盲區(qū)0.5 m。

3.2.2 流速儀測(cè)流

在測(cè)驗(yàn)斷面按照河底及流向的變化，布設(shè)精密測(cè)速垂線(xiàn)25～30條，基本控制了斷面流速變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，測(cè)驗(yàn)設(shè)備采用LS25—3A型流速儀測(cè)速，測(cè)速歷時(shí)為100 s，每條垂線(xiàn)用多點(diǎn)法測(cè)速，岸邊系數(shù)取0.7。測(cè)量成果見(jiàn)表1。

表1 “河貓”與流速儀流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)成果表

3.3 適用條件

綜上所述，“河貓”測(cè)流系統(tǒng)，在水文外業(yè)，江河流量測(cè)驗(yàn)中的適用條件是:

1)要求測(cè)驗(yàn)河段水體懸移質(zhì)含沙量較小，以不影響其發(fā)射和接收聲波信號(hào)即可。

2)選擇河床穩(wěn)定，不受沖淤變化影響，既沒(méi)有推移質(zhì)輸沙量的測(cè)驗(yàn)斷面。

3)要求選擇水深>0.5m以上，斷面比較寬闊的測(cè)驗(yàn)河段。

4)選擇水位—流量關(guān)系單一的測(cè)驗(yàn)斷面，精度較高。

4 在測(cè)驗(yàn)中需注意的問(wèn)題

1)測(cè)量開(kāi)始及結(jié)束需做好儀器的檢查工作，以保證測(cè)驗(yàn)不出現(xiàn)問(wèn)題。

2)各測(cè)量參數(shù)的設(shè)置需按照SL 337—2006的要求以及測(cè)驗(yàn)河段的水文特征進(jìn)行合理設(shè)置。

3)航測(cè)時(shí)要求船速不能過(guò)快，以船速盡可能小于或等于水流速度為標(biāo)準(zhǔn)。

4)流量的確定應(yīng)取4次單程測(cè)量平均值，并且與每單程測(cè)量的誤差不大于±5%為標(biāo)準(zhǔn)。

5)對(duì)于寬淺式河道，低水測(cè)流時(shí)，岸邊距離的測(cè)量要精確，且流速不能<0.055 m/s。

6)用金屬船體測(cè)量時(shí)要使“河貓”距船體5m以上，以保證產(chǎn)生的磁場(chǎng)不影響內(nèi)部數(shù)據(jù)運(yùn)算及傳輸。做好以上工作是提高測(cè)驗(yàn)精度，減少誤差來(lái)源的基本保障。

5 結(jié)語(yǔ)

利用“河貓”進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)中的流量和斷面測(cè)量，可以不受天氣狀況、斷面條件和時(shí)間的限制，進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)測(cè)量;同時(shí)，使用“河貓”進(jìn)行斷面測(cè)量可以方便及時(shí)了解斷面情況、水深情況，最大限度發(fā)揮靈活方便和測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)方式，提高了測(cè)驗(yàn)效率，拓寬了測(cè)驗(yàn)范圍。

隨著“河貓”技術(shù)的不斷改進(jìn)，它將作為一種用來(lái)獲得流速、流量等水文數(shù)據(jù)的有效方法被廣泛應(yīng)用，并最終取代常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法。

［1］ 水利部水文局.SL 247—1999水文資料整編規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1999.