趙 越，英小勇

（水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（簡稱剖面儀）是 20 世紀(jì) 80 年代初發(fā)展起來的一種新型測流設(shè)備。它利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測量，用聲波換能器作傳感器，并發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物或氣泡等反散射體反射，再由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測定多普勒頻移變化而測算出流速。剖面儀具有不擾動(dòng)流場、測驗(yàn)歷時(shí)短、測速范圍大并能直接測出斷面的流速剖面等特點(diǎn)。目前被廣泛用于海洋和河口的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速及流量測驗(yàn)。

目前，國內(nèi)僅水文系統(tǒng)就有接近 300 臺(tái)剖面儀測流設(shè)備在各個(gè)水文測驗(yàn)現(xiàn)場使用。然而盡管應(yīng)用廣泛，但是目前行業(yè)內(nèi)尚無可廣泛被接受的用于剖面儀檢定或校準(zhǔn)的相關(guān)產(chǎn)品檢定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，也無國家或行業(yè)行政部門認(rèn)定/認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)測試平臺(tái)和檢定設(shè)備。由于剖面儀的工作原理及測量特點(diǎn)與傳統(tǒng)測流儀器存在較大的差異，因此不能簡單采用過去點(diǎn)流速儀的檢驗(yàn)/校準(zhǔn)方法來全面評(píng)價(jià)剖面儀。本文通過介紹目前國外采用的一些剖面儀評(píng)價(jià)方法，探討國內(nèi)利用流速儀檢定水槽來檢定剖面儀測流設(shè)備的校準(zhǔn)方法的可行性。

1 剖面儀的主要評(píng)價(jià)方法

1.1 設(shè)備比測

比測是被測儀器與其它更精確的檢定工具同時(shí)或接近同時(shí)進(jìn)行比較測量。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的洛曼[1]（1994，USGS），佛加瑞、特羅布里奇（1998，USGS）進(jìn)行過剖面儀與 ADV（超聲多普勒流速儀）、LDV（激光多普勒流速儀）的比測試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剖面儀與 ADV、LDV 的誤差在 1 % 之內(nèi)。奈斯特（2002，USGS）在 1 條寬 1.8 m、深 0.9 m 的動(dòng)水槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，剖面儀測速相對(duì) ADV 測量結(jié)果誤差不大于 1 cm/s。

這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是水槽中流速和其它相關(guān)量較精確，但存在懸浮物不足導(dǎo)致反射強(qiáng)度較弱，同時(shí)存在槽底及槽壁反射問題，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測量結(jié)果。雖然流速可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，但由于水深限制很難獲得較高速度的測試條件。

1.2 底跟蹤基線比測

阿普爾（1988，USGS）在湖面布置一固定基線進(jìn)行剖面儀測試，分別設(shè)置 200、1000 m 等 2 條路線。將剖面儀架設(shè)于船體勻速定向 2 次往復(fù)測試。通過剖面儀底跟蹤測量數(shù)據(jù)與已知距離的比較判斷剖面儀測量誤差。這種方法可迅速判斷現(xiàn)場應(yīng)用的剖面儀是否存在偏差，通常用于剖面儀生產(chǎn)廠家檢查聲束對(duì)中誤差。

1.3 斷面流量比測

USGS 已經(jīng)對(duì)剖面儀與已有設(shè)備如 Price AA 型轉(zhuǎn)子式流速儀在美國 11 處斷面進(jìn)行流量比測，通過測驗(yàn)表明剖面儀測驗(yàn)相對(duì) Price AA 型轉(zhuǎn)子式流速儀有著 5 % 的誤差[2]。我國各水文測驗(yàn)單位也進(jìn)行過多次類似比測試驗(yàn)，如 2001年5 月在嘉興市青陽匯水文站感潮河段的測流斷面進(jìn)行了固定式水平 ADCP 與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀的同步比測試驗(yàn)工作。采用 “淘金者”－SL 測得的層平均流速，與用纜道的測流代表垂線實(shí)測的垂線平均流速進(jìn)行比測。經(jīng)過 7 d 的試驗(yàn)，將近 1000 測次比測的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后，其結(jié)論是：2 者之間誤差小于 10 % 的上線率達(dá)到 85 % 以上，符合水文測驗(yàn)規(guī)范的要求。

斷面流量比測因采樣面積存在差異：轉(zhuǎn)子式流速儀測流采樣面積不超過 3 %，而剖面儀采樣面積 20 %～60 %，2 者相差懸殊，流量測驗(yàn)結(jié)果的比較具有不確定性。2 者測驗(yàn)時(shí)間也有明顯差異，剖面儀與轉(zhuǎn)子式流速儀斷面測驗(yàn)時(shí)間不同，常常因?yàn)?2 者測驗(yàn)時(shí)間的不同導(dǎo)致流量測量結(jié)果千差萬別。

2 美國 USGS 利用靜水槽評(píng)價(jià)剖面儀的方法

USGS 與南佛羅里達(dá)水資源管理局在美國海軍戴維泰勒水面戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)中心船舶模型試驗(yàn)水池進(jìn)行剖面儀檢定試驗(yàn)。美國國家海洋大氣局定期使用該船舶模型試驗(yàn)水池校準(zhǔn)剖面儀。USGS 于 2000年3月13～16日使用該水槽評(píng)價(jià)剖面儀，USGS 通過該試驗(yàn)達(dá)到以較低的成本確保 USGS 流量測驗(yàn)業(yè)務(wù)質(zhì)量水平的目的。

2.1 戴維泰勒模型水槽

戴維泰勒船舶模型水槽試驗(yàn)水池?fù)碛?2 個(gè)拖曳水池，其中 1 條長 760 m，寬 15 m，深 5.5 m。該水池已經(jīng)被分成 2 段，1 段長 260 m，另 1 段長約 500 m。這次試驗(yàn)是在 260 m 長的水池中進(jìn)行的。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)程序由以下 4 部分組成：

1）在校正車上架設(shè)剖面儀；

2）水槽中均勻播撒粉末石灰粉；

3）校正車每次正反行程運(yùn)行，抵消水槽中紊流的影響；

4）將剖面儀測量值與檢測車速值同時(shí)存入計(jì)算機(jī)。

2.3 試驗(yàn)過程

在水槽中測試剖面儀，水體中必須有足夠的反射物質(zhì)，如果反射物質(zhì)濃度不足（反射強(qiáng)度小于 35 db）或反射物質(zhì)濃度分布不勻，都會(huì)帶來顯著誤差。在試驗(yàn)期間，每天都在校正車上播撒石灰粉末以提供適當(dāng)?shù)姆瓷湮镔|(zhì)，后期采用石灰漿噴霧方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)[3]。

共有 5 臺(tái)剖面儀參與了本次戴維泰勒模型試驗(yàn)池的試驗(yàn)。具體型號(hào)規(guī)格為：SonTek3 Argonaut SL ADP（3 MHz）、SonTek ADP、RD Instruments Rio Grande 剖面儀（600 kHz）、RD Instruments Broadband 剖面儀（1200 kHz）和 RD Instruments生產(chǎn)的 prototype 3-beam horizontal 剖面儀（600 kHz）。試驗(yàn)中獲得 2 個(gè)測量參數(shù)即水層跟蹤和底跟蹤速度。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

校驗(yàn)車平均車速，包括正行程和反行程平均車速，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表見表1。在 41 cm/s 車速下，1200 kHz逆向運(yùn)行未獲得有效數(shù)據(jù)，所以本次測量只有正向運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 戴維泰勒模型試驗(yàn)池試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

校正車車速與剖面儀底跟蹤速度的平均差為- 0.21 cm/s，校正車車速與剖面儀水跟蹤速度的平均差為 - 0.15 cm/s。底跟蹤和水跟蹤各自的平均差為 - 0.76 % 和 - 0.70 %。這些測量結(jié)果接近剖面儀的預(yù)期誤差。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剖面儀測速值均小于車速值，從上述檢定結(jié)果看來該系統(tǒng)可有效評(píng)價(jià)剖面儀。

有趣的是，600 kHz 的剖面儀底跟蹤速度平均差為 -0.62 cm/s，而水跟蹤平均差為 0。正常的測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)是底跟蹤測量結(jié)果精度要高于水跟蹤。其誤差并沒有隨速度增加而增加。

雖然測試結(jié)果比較理想，但是仍存在以下問題：

1）拖曳水槽中大量的金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)致測量偏差，通過數(shù)據(jù)分析，電子羅盤存在明顯的擾動(dòng)；

2）側(cè)壁（槽底、槽壁）存在明顯反射，這可能導(dǎo)致底跟蹤的測量誤差；

3）最重要的是反射信號(hào)的時(shí)間空間的不均勻性。背景反射從 43 ～52 db，而一般的河流測量結(jié)果在背景反射測量結(jié)果差異不大于 3 db。

3 利用國內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評(píng)價(jià)剖面儀的方法

為完成剖面儀評(píng)價(jià)工作，國內(nèi)技術(shù)機(jī)構(gòu)先后在陜西和山東的水文局水槽進(jìn)行了剖面儀底跟蹤測試試驗(yàn)，取得一定測試數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)已有流速儀檢定水槽 11 條，利用現(xiàn)有條件完成對(duì)剖面儀的評(píng)價(jià)，水槽寬度、深度均劣于美國海軍戴維泰勒水面戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)中心船舶模型試驗(yàn)水池。若想獲得更好的檢定效果，可針對(duì) USGS 經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

3.1 消除側(cè)壁反射和背景反射差異

可參考消聲水池在水槽側(cè)壁布設(shè)吸音橡膠。采用合適散射物質(zhì)，提高剖面儀反射信號(hào)的時(shí)間空間的均勻性。橡膠是一種粘彈性高分子材料，內(nèi)耗相對(duì)較大，基體橡膠的相對(duì)分子質(zhì)量分布可調(diào)，能適應(yīng)各種頻率聲波的吸收。橡膠材料的吸聲率與聲波的頻率有明顯關(guān)系。吸聲橡膠圓錐是水聲工程用消聲水池和循環(huán)水槽的重要組成部分，主要用于消除水槽壁、水面的水聲反射，以便提高聲場的分布均勻性和穩(wěn)定性，減小聲測量的系統(tǒng)誤差。目前，德國采用石墨填充聚己丁烯制備水聲消聲材料；日本采用紅松木制作吸聲尖劈；美國采用鋁粉填充 IIR 制備吸聲橡膠圓錐池?；诔杀镜囊蛩亓魉賰x檢定水槽不可能全槽布設(shè)吸引橡膠，但可在有效檢定段部分布設(shè)。

3.2 提高水槽反射強(qiáng)度

國內(nèi)目前提高水槽反射強(qiáng)度的辦法與 USGS 基本相似，即加入石灰或石灰漿，但這種辦法存在著以下弊端：

1）加入石灰后水體呈堿性，且含有大量顆粒物；水槽中添加石灰后，整池水均需更換，且需對(duì)槽體進(jìn)行清潔處理。

2）加入石灰汾或石灰水，顆粒均勻性差，且隨時(shí)間變化，其不同水層濃度也隨之變化。

為了克服以上缺點(diǎn)，可采用氣泡作為超聲波反射物質(zhì)。

基于瑞利散射原理可知后向散射強(qiáng)度（Sv）為：

式中：Csm為懸浮物濃度；k 為剖面儀僅發(fā)射聲波的波數(shù)；? a3? 為懸浮物粒徑 3 次方的均方根；ρs為懸浮物密度；γ定義為物質(zhì)常數(shù)，是顆粒物彈性和密度的函數(shù)。

假設(shè)觀測期間懸浮物的粒徑、密度及其他物理性質(zhì)保持穩(wěn)定，體積后向散射強(qiáng)度與懸浮物濃度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。由式（1）可知將水槽中懸浮物濃度穩(wěn)定提高較高水平即 ADCP 反射信號(hào)空間與時(shí)間上均勻性。

剖面儀所能探測到的懸浮物的粒徑有上限，超過上限測量誤差將增長；另一方面，不同發(fā)射頻率的剖面儀對(duì)懸浮物粒徑的敏感程度也不一樣，一般認(rèn)為剖面儀對(duì) kaS（散射體半徑與入射聲波波數(shù)比值）值在 0.01～0.10，所對(duì)應(yīng)的懸浮顆粒物粒徑具有較強(qiáng)的敏感性[4]，在此范圍內(nèi)顆粒直徑越大，剖面儀測量敏感度越高。對(duì)于本次觀測使用的 600 kHz 剖面儀當(dāng) kaS等于 1 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的懸浮物粒徑為 800 μm，所以對(duì)該頻率剖面儀所能探測到的氣泡直徑以 8～80 μm 為宜。通過在水槽槽底、側(cè)壁布置氣管的方式產(chǎn)生均勻及細(xì)密的氣泡，提供足夠的反射物質(zhì)。

以上均基于瑞利長波散射模型理論推導(dǎo)，通過改變氣泡密度、濃度、直徑等要素可獲得剖面儀與以上要素的敏感關(guān)系，可為開展剖面儀檢定工作打下良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過 USGS 的大量實(shí)踐，可初步確定利用水文現(xiàn)有的技術(shù)手段可以有效評(píng)價(jià)剖面儀的流速性能，面對(duì)我國水文領(lǐng)域剖面儀日益廣泛應(yīng)用的局面，有必要在我國現(xiàn)有水文基礎(chǔ)設(shè)和技術(shù)手段條件下探索合理、高效的剖面儀評(píng)價(jià)方法。除了目前廣泛開展的斷面流量比測方法外，還可通過設(shè)施改造和試驗(yàn)方法研究利用國內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評(píng)價(jià)剖面儀流速性能。

[1]Lohrmann, A., Cabrera. R., and Kraus, N.C. Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV) for laboratory use[C ]//Conf. On Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measurements and Experimentation. NY: ASCE, 1994: 351-365.

[2]Mueller, D.S.Field Assessment of Acoustic Doppler Based Discharge Measurements[C]//USGS;Proc. Hydraulic Measurements & Experimental Methods 2002. Estes Park,CO, ASCE, 2002: 374-381.

[3]Shih H. H., Payton C., Sprenke J., and Mero T.Towing Basin Speed Calibration of Acoustic Doppler Current Profiling Instruments[C]//USGS; Proc. 2000 Joint Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning and Management, Minneapolis,MN, ASCE, 2000.

[4]原野，趙亮，魏皓，等. 利用剖面儀和LISST-100儀觀測懸浮物濃度的研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2008, 30(3): 48-52.