呂文婷

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

聲學(xué)多普勒流速剖面儀應(yīng)用淺析

呂文婷

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

對聲學(xué)多普勒流速剖面儀在實際應(yīng)用中進(jìn)行了分析。通過在白山水庫采用走航式及定點測流(垂向代表線法)兩種方式，對白山水庫測流斷面進(jìn)行了流量測驗、流速分布及流向測量。聲學(xué)多普勒流速剖面儀既適用于自由水面又適用于封凍期測量，最后對聲學(xué)多普勒流速剖面儀進(jìn)行了討論。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀;流量測驗;淺析

1 概述

靖宇核電水文站位于白山市靖宇縣崗頂村南側(cè)頭道松花江白山水庫左岸的臺地上，地理坐標(biāo)東經(jīng)127°05'，北緯42°04'。在該站斷面上采用250 KHz的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADP，下同)對核電水文站測流斷面進(jìn)行了流量測驗及流速分布測量，分別采用了走航式及定點測流(垂向代表線法)兩種方式。

測船采用鐵殼船，為了去除鐵殼船對儀器羅盤的干擾，儀器通過支架伸出船舷1.0 m左右。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀技術(shù)指標(biāo)如下:

頻率 最大剖面 最小盲區(qū) 可選系統(tǒng)(KHz)深度(m)距離(m)250 180 1.5標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)500 100 1.0 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)1 000 40 0.5 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)1 500 25 0.4 標(biāo)準(zhǔn)、小型與河貓3 000 6 0.2 標(biāo)準(zhǔn)、小型與河貓

● 測量范圍:±10 m/s

● 分辨率:0.1 cm/s

● 準(zhǔn)確度:所測流速的 ±1%，±0.5 cm/s

測驗執(zhí)行相關(guān)規(guī)范:《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》(SL337－2006)

2 走航測量

為了獲取斷面的形狀，采用了走航式進(jìn)行斷面測量。

走航測量歷時40 min，船速平均約0.35 m/s。測時直線距離為814.35 m，加上兩岸估計距離，總河寬近900 m，與采用全站儀得到的892 m相符。測量過程中，與測深儀進(jìn)行了對比實驗，在80 m以內(nèi)，ADP得到的水深和測深儀得到的水深幾乎一致，而水深超過80 m時，測深儀無測量數(shù)據(jù)作為比較。只要測船的航行軌跡與測流斷面重合并沒有彎曲的情況下，采用走航式的方法對河道斷面形狀的測量，是可取的。

根據(jù)ADP的實測成果繪制的靖宇核電白山水文站大斷面示意圖，見圖1。

圖1 大斷面示意圖

與聲學(xué)多普勒流速剖面儀相適應(yīng)的ViewADP軟件具有比較強大的數(shù)據(jù)分析能力，也就是說，在正確獲取的走航測量的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，ViewADP軟件可以對整個斷面的流場、流向、水平層流速、垂線流速分布給出直觀的反映。

3 定點測流(垂向代表線法)

定點測流的原理如下，其與傳統(tǒng)的多線法相同，不同的是使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADP)能測得整個垂線的流速分布和流向。需要指出的是ViewADP軟件對定點測流(垂向代表線法)特別對低流速測量、冰期測量、有底沙運動情況以及洪水期測量非常適用。

不可否認(rèn)，在流速很小，風(fēng)速很大，而水深限制了拋錨作業(yè)時，定點測流也有一定的困難。

(1)測驗根據(jù)斷面形狀，測量首先選擇了15條，此后選擇了9條垂向代表線，基本控制了斷面的轉(zhuǎn)折點。

(2)采用測流歷時300 s。

(3)定點測流共施測了兩次，從兩次測流的結(jié)果來看，第一次測量的水面寬為900 m，斷面面積為46 400 m2，流量為626 m3/s，斷面平均流速為1.35 cm/s。第二次測量的水面寬為892 m，斷面面積為46 730 m2，流量為633 m3/s，斷面平均流速為1.35 cm/s。兩次測量的誤差較小。走航測流中得到的斷面面積為45 567 m2。

(4)應(yīng)當(dāng)指出:對于大范圍的靜止水體，流速往往存在紊動現(xiàn)象，而且這種紊動往往是大空間尺度和時間尺度的。這次測流的結(jié)果也印證了這一現(xiàn)象。如此的水深和低流速，難免會造成非常大的紊流和流速的不確定度。解決的辦法是適當(dāng)加長測量時間(我們采用了300 s)，或者拋錨，但是由于現(xiàn)場條件所限，測量不具備過多加長測驗時間的條件(主要是船在風(fēng)力影響下的漂移)。

(5)定點測流成果如計算機(jī)界面所直觀顯示，見圖2、圖3。

圖2 流速－流向－深度分布圖

(6)采用垂向代表線法測量，從測流結(jié)果來看，斷面流速分布存在一定規(guī)律性，局部區(qū)域會出現(xiàn)逆流，個別區(qū)域流速會較大，這與大面積靜止水體的流速分布及變化規(guī)律相符。

4 結(jié)論

(1)從多次測量的結(jié)果分析出，走航方式獲得的斷面形狀與實際基本相符。但在流速測量、流量測量以及流場分布的測量上，其測量誤差難以滿足測量要求。

圖3 流量－深度－面積分布圖

(2)由于該斷面水體面積很大，而流速很小，屬于相對靜止的水體。這類水體的紊動特性比較強，很容易受溫度、風(fēng)、來水等的干擾而發(fā)生流速變化，而且紊動時的空間尺度和時間尺度都比較大，上下層、左右岸的流速甚至相反，因此定點測流是獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的保證。

(3)對于靖宇核電水文站斷面的測驗來說，采用最佳的聲學(xué)多普勒流速剖面儀的頻率為500 KHz比較適宜，儀器采用定點測流的方式;儀器最大深度滿足白山水庫庫區(qū)實況，又包含了漲落變化，測量方法既適用于自由水面又適用于封凍期測量。

(4)在測驗中，水面下大約25 m處聲波信號有明顯變化，原因是藻類或者異重流、或者溫度躍層，這需要借助水質(zhì)儀器確定和核實。

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1004－1184(2011)06－0158－02

2011－09－27

呂文婷(1969－)，女，吉林通化人，助理工程師，主要從事水文與水資源管理工作。