黃士穩(wěn)，嚴(yán) 甬，呂耀光

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 問(wèn)題的提出

聲學(xué)多普勒流速剖面儀 （ADCP）已在流量測(cè)驗(yàn)的各個(gè)方面取得廣泛應(yīng)用。之江水文站采用水平式聲學(xué)多普勒流速儀 （H-ADCP）和走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀相結(jié)合的方法對(duì)錢(qián)塘江河口區(qū)實(shí)現(xiàn)了潮流量實(shí)測(cè)及資料整編［1］，青陽(yáng)匯水文站在平原河網(wǎng)成功應(yīng)用H-ADCP對(duì)流量進(jìn)行實(shí)測(cè)［2］，陳金浩［3］等利用走航式ADCP測(cè)驗(yàn)斷面流速流向分布。ADCP回波強(qiáng)度和含沙量具有明確的相關(guān)關(guān)系，例如，張志林［4］等利用ADCP反向散射強(qiáng)度估算懸沙濃度，英曉明［5］等基于ADCP和OBS觀測(cè)洋山港關(guān)鍵斷面水沙通量。ADCP是聲學(xué)原理儀器［6］，一方面其必須依靠水中的顆粒物反射來(lái)計(jì)算頻移，要求水中有一定含量的顆粒物（主要指泥沙）；另一方面，水中顆粒物含量不能太高，太高會(huì)導(dǎo)致聲波被大量吸收而造成回波強(qiáng)度有效距離變短，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而影響斷面流量的計(jì)算。這種情形是客觀存在的，解決泥沙對(duì)ADCP的影響，能否通過(guò)后續(xù)處理降低影響，目前研究較少。

2 含沙量對(duì)H-ADCP測(cè)流有效距離的影響

H-ADCP是以固定發(fā)射聲波測(cè)量水體流速的儀器。通過(guò)測(cè)定水體中被懸浮物質(zhì) （浮游生物和泥沙）反射回來(lái)的反向散射回波相位或頻率的變化，將回波轉(zhuǎn)化成沿聲學(xué)波束的速度分量，再根據(jù)剖面大小計(jì)算流量。聲吶方程［7］（Urick，1975年）包含：聲傳播區(qū)、散射強(qiáng)度區(qū)、聲源電平和傳輸損失等。其中傳輸損失是到聲傳播區(qū)的距離和水體吸收系數(shù)的函數(shù)，包括因擴(kuò)散和吸收導(dǎo)致的損失。在H-ADCP的應(yīng)用中，由泥沙引起的傳輸損失較為顯著。

2.1 測(cè)流有效距離縮短的表現(xiàn)及對(duì)推流結(jié)果的影響

在泥沙含量較低和泥沙含量較高的情況下，H-ADCP測(cè)流有效距離的變化見(jiàn)圖1和圖2。圖1和圖2中，①號(hào)曲線是理論上H-ADCP發(fā)射聲波的回波強(qiáng)度隨距離的變化，②號(hào)和③號(hào)曲線分別是實(shí)測(cè)的H-ADCP的2個(gè)換能器所發(fā)射聲波的回波強(qiáng)度隨距離的變化。從圖1和圖2的對(duì)比可以看出，在泥沙含量較高的情況下，測(cè)流有效距離在35m附近時(shí) （見(jiàn)圖2虛豎線）回波強(qiáng)度的數(shù)值已衰減到50以下，不能被儀器識(shí)別，較其理想狀態(tài)下的120m （見(jiàn)圖1）大為縮短。

圖1 泥沙含量較低時(shí)回波強(qiáng)度隨距離的變化圖

圖2 泥沙含量較高時(shí)回波強(qiáng)度隨距離的變化圖

當(dāng)H-ADCP不受泥沙影響時(shí)，回波有效距離可達(dá)到120m。以之江水文站H-ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明測(cè)流有效距離縮短對(duì)流量的影響。打開(kāi)儀器的多剖面模式，為避開(kāi)岸邊的紊流，將H-ADCP的盲區(qū)設(shè)置為5m，H-ADCP水平方向朝河心5～80m范圍內(nèi)的流速作為指標(biāo)流速。將所測(cè)5～80m范圍水域在水平方向進(jìn)行平均劃分，共分成10個(gè)部分，每部分稱(chēng)為1個(gè)流層，每個(gè)流層寬度為7.5m。正常情況下，根據(jù)流速沿?cái)嗝娴姆植家?guī)律，從岸邊往河心是逐漸增大的，后文以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明之江站斷面HADCP所實(shí)測(cè)范圍內(nèi)的流速分布情況。選取時(shí)刻為2013年10月7日22：24，經(jīng)查，該時(shí)刻水流平穩(wěn)，水位正常，為較典型的代表時(shí)刻。該時(shí)刻H-ADCP所測(cè)到的10個(gè)流層的流速數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3，流層1～4代表了5～35m范圍內(nèi)的流速，其平均值為0.96m／s，流層1～10代表了5～80m范圍內(nèi)的流速，其平均值為1.25m／s，若以5～35m范圍內(nèi)的流速代表5～80m范圍內(nèi)的流速，其誤差為23.2%，反映到流量上同樣為23.2%，可見(jiàn)回波有效距離縮短對(duì)流量的影響是十分顯著的。

圖3 H-ADCP多流層數(shù)據(jù)圖

2.2 測(cè)流有效距離縮短發(fā)生時(shí)段分析

測(cè)流有效距離縮短主要發(fā)生在洪水的后半段、涌潮到來(lái)時(shí)等含沙量較高的時(shí)段。根據(jù)之江水文站水質(zhì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)濁度和測(cè)流有效距離密切相關(guān)。當(dāng)濁度值超過(guò)70NTU時(shí)，測(cè)流有效距離開(kāi)始縮短；當(dāng)濁度值達(dá)到94NTU時(shí)，測(cè)流有效距離縮短至70m；當(dāng)濁度值達(dá)到116NTU時(shí)，測(cè)流有效距離縮短至60m。通過(guò)對(duì)之江水文站2012年全年的H-ADCP診斷數(shù)據(jù)的分析，可以得到測(cè)流有效距離在不同距離段的時(shí)間長(zhǎng)短分布 （見(jiàn)表1）。從表1可以看出，測(cè)流有效距離縮短至30，40m等的歷時(shí)占全年比例較少，但是測(cè)流有效距離縮短往往發(fā)生在較大洪水和大潮汛涌潮到來(lái)期間，流速較大，對(duì)整體的水量計(jì)算影響較大，因此測(cè)流有效距離的縮短是不可忽視的。

表1 之江水文站2012年H-ADCP測(cè)流有效距離時(shí)長(zhǎng)分布表

3 解決方法

本文以錢(qián)塘江之江水文站H-ADCP流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，探討H-ADCP在含沙量較大、測(cè)流有效距離縮短情況下的解決方法。

3.1 之江水文站流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

之江水文站斷面寬度955m，在斷面的左右岸各安裝1臺(tái)H-ADCP。儀器選用的是頻率為500k H z的HADCP，儀器最大實(shí)測(cè)距離120m。儀器安裝示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 H-ADCP在之江水文站安裝示意圖

H-ADCP可連續(xù)監(jiān)測(cè)所測(cè)量范圍內(nèi)的流速。在HADCP連續(xù)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，使用走航式聲學(xué)多普勒流速儀開(kāi)展全斷面流量測(cè)驗(yàn)，全斷面流量測(cè)驗(yàn)選取大、中、小典型潮時(shí)期進(jìn)行。走航式聲學(xué)多普勒流速儀可測(cè)得斷面平均流速，然后取得H-ADCP在走航式聲學(xué)多普勒流速儀實(shí)測(cè)相應(yīng)時(shí)段內(nèi)所監(jiān)測(cè)到的流速。以斷面平均流速為橫坐標(biāo)，以H-ADCP所測(cè)相應(yīng)時(shí)段流速為縱坐標(biāo)，進(jìn)行曲線擬合，所擬合出的曲線要求通過(guò)三性檢驗(yàn)且隨機(jī)不確定度最?。?］。推流時(shí)，根據(jù)H-ADCP所測(cè)流速，通過(guò)擬定的關(guān)系曲線計(jì)算得到斷面平均流速，然后通過(guò)水位得到斷面面積，斷面平均流速和斷面面積相乘可得斷面實(shí)時(shí)流量［9］。

3.2 分段定線法

前文已描述泥沙對(duì)回波強(qiáng)度有效距離及推流數(shù)據(jù)的影響，為了彌補(bǔ)H-ADCP的不足，提出根據(jù)H-ADCP的回波強(qiáng)度有效距離分段定線，即定出5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80等6條曲線。具體做法為：打開(kāi)H-ADCP的數(shù)據(jù)后處理軟件，將10個(gè)流層的流速數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表里，在擬定5～30m曲線時(shí)，選取10個(gè)流層的第1～4流層的平均流速作為指標(biāo)流速，和同時(shí)段的斷面平均流速組成一組數(shù)據(jù)，這樣，不同流速級(jí)就有若干組數(shù)據(jù)，然后以斷面平均流速為橫坐標(biāo)，以多流層平均流速作為指標(biāo)流速擬定關(guān)系曲線。所定關(guān)系曲線示見(jiàn)圖5。

圖5 5～30m關(guān)系曲線示例圖

在5～40m曲線定線時(shí)，選取10個(gè)流層的第1～5流層的平均流速作為指標(biāo)流速，依照擬定5～30m曲線的方法擬定出5～40m曲線，根據(jù)距離依次類(lèi)推，直到將6條曲線全部定出，畫(huà)在同一圖上 （見(jiàn)圖6）。第一象限內(nèi)順時(shí)針開(kāi)始分別是5～30，5～40，5～50，5～60，5～70，5～80m等6條曲線。

圖6 六條曲線示例圖

3.3 分曲線推流

在推流時(shí)，應(yīng)首先作一個(gè)判斷，即根據(jù)H-ADCP測(cè)流有效距離來(lái)決定使用哪條曲線進(jìn)行推流。例如，若有效距離縮短至35m，則采用5～30m曲線，若縮短至55m，則采用5～50m曲線。在具體應(yīng)用時(shí)，可編寫(xiě)程序?qū)α髁肯盗羞M(jìn)行批量處理。從圖6中6條曲線的分布來(lái)看，第一象限內(nèi)，5～80m曲線在最下方，5～30m曲線在最上方，選用5～30m曲線所推出流量較5～80m的要大，彌補(bǔ)了因回波距離縮短而產(chǎn)生的誤差。為了進(jìn)一步證實(shí)，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明使用該方法的效果。為了能更好地說(shuō)明問(wèn)題，選取具有代表性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。2011年6月15日08：54—09：43，走航式聲學(xué)多普勒流速儀實(shí)測(cè)流量14800m3／s，袁浦H-ADCP實(shí)測(cè)平均流速0.39m／s，聞堰H-ADCP實(shí)測(cè)平均流速1.46m／s，平均水位7.07m。首先使用5～80m曲線進(jìn)行推流，推出流量為11600m3／s，和實(shí)測(cè)誤差22%。經(jīng)查詢(xún)?cè)摃r(shí)間段H-ADCP診斷數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于受泥沙影響H-ADCP回波強(qiáng)度有效距離已縮短至50m，故采用5～50m曲線進(jìn)行推流，推出流量為14100m3／s，和實(shí)測(cè)流量誤差為4.7%。2012年3月6日09：02—09：45，走航式聲學(xué)多普勒流速儀實(shí)測(cè)流量10800m3／s，袁浦HADCP實(shí)測(cè)平均流速0.61m／s，聞堰H-ADCP實(shí)測(cè)平均流速1.29m／s，平均水位6.15m。首先使用5～80m曲線進(jìn)行推流，推出流量為9360m3／s，和實(shí)測(cè)誤差15.3%。經(jīng)查詢(xún)?cè)摃r(shí)間段H-ADCP診斷數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于受泥沙影響H-ADCP回波強(qiáng)度有效距離已縮短至55m，故采用5～50m曲線進(jìn)行推流，推出流量為10600m3／s，和實(shí)測(cè)流量誤差為1.9%，已較為精確。

采用分段定線、分曲線推流的方法使推求出的流量和實(shí)測(cè)值已非常接近，推流成果合理性大大提高。

3.4 對(duì)硬件改進(jìn)的討論

上述僅討論了在現(xiàn)有硬件條件下通過(guò)后續(xù)計(jì)算來(lái)彌補(bǔ)H-ADCP回波強(qiáng)度有效距離縮短所帶來(lái)的影響，HADCP硬件改進(jìn)值得進(jìn)一步探討。影響回波強(qiáng)度的關(guān)鍵因素是泥沙含量，泥沙含量無(wú)法人為改變，這是客觀事實(shí)，因此只能從聲波獲得更強(qiáng)的穿透力方面入手?；氐铰晠确匠?，換能器發(fā)射功率用可用S L描述：

式中：I是換能器方向上離換能器中心1m處的聲強(qiáng)；I0為參考聲強(qiáng)，取值為0.67×10-22W／c m2。換能器功率和聲強(qiáng)是對(duì)數(shù)關(guān)系，要增大聲強(qiáng)，需要成倍增加換能器發(fā)射功率，但增大功率會(huì)帶來(lái)更大的功耗，因此需均衡考慮。二是降低儀器的頻率，聲波的頻率更低，穿透力會(huì)更強(qiáng)，但需要犧牲一定的精度。綜合考慮以上因素，希望生產(chǎn)廠家能生產(chǎn)出功率可調(diào)、頻率可調(diào)的H-ADCP，即在預(yù)計(jì)洪水將要到來(lái)、泥沙含量會(huì)增大時(shí)，一方面可加大儀器的發(fā)射功率，使聲波傳輸?shù)酶h(yuǎn)；另一方面，可降低儀器的發(fā)射頻率，聲波獲得更好的穿透力，以得到更遠(yuǎn)的回波距離。

4 結(jié) 語(yǔ)

H-ADCP在含沙量較高的情況下測(cè)流有效距離會(huì)明顯縮短，因此影響了根據(jù)指標(biāo)流速所推算出的流量，其誤差甚至達(dá)到20%，達(dá)不到流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)要求。提出采用多流層數(shù)據(jù)進(jìn)行分段定線，然后根據(jù)回波強(qiáng)度有效距離選取合適的曲線進(jìn)行推流。這一方法彌補(bǔ)了測(cè)流有效距離縮短引起的流量誤差，和實(shí)測(cè)值誤差在5%以?xún)?nèi)，其效果是十分顯著的。本文提出的方法在基本不增加成本的情況下，有效地減小了H-ADCP推流誤差，增強(qiáng)了H-ADCP的實(shí)用性。

［1］呂耀光，黃士穩(wěn).錢(qián)塘江河口區(qū)聲學(xué)多普勒測(cè)流及資料整編［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（6）：680-687.

［2］張照余.聲學(xué)多普勒測(cè)流儀在平原感潮河段測(cè)驗(yàn)穩(wěn)定性驗(yàn)證［J］.浙江水利科技，2006（6）：47-49.

［3］陳金浩，呂耀光.ADCP在斷面流速流向分布測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2012，30 （10）：51-53.

［4］張志林，鄧乾煥，朱巧云，等.基于ADCP反向散射強(qiáng)度估算懸沙濃度在洋山港的應(yīng)用研究 ［J］.水文，2011，31（2）：62-63.

［5］英曉明，丁平興，胡克林，等.基于ADCP和OBS觀測(cè)的洋山港關(guān)鍵斷面水沙通量研究 ［J］.泥沙研究，2010（2）：21-22.

［6］田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用 ［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003：181-182.

［7］尤立克R J.水聲原理 ［M］.3版.洪申，譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990：15-17.

［8］中華人民共和國(guó)水利部.SL 247—2012，水文資料整編規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［9］中華人民共和國(guó)水利部.GB 50179—93，河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993.