多普勒测流仪—“河猫”在水文的应用

王 莹，王 韦华，苏文峰

(佳木斯水文局，黑龙江佳木斯154002)

“河猫”是由美国SonTeK公司生产;原中文释名为“河流调查者”。有效利用“河猫”的特性和优点，把它应用到大小河道流量测量和断面测量中，可以在抢测洪峰、城市防洪、引水和水资源优化配置中发挥很好的作用。“河猫”的使用特点是测验时间短，精度高，易操作。只需测量船牵引“河猫”从断面的一侧行驶至另一侧即可测到水道断面的三维数据剖面图及流量数据，较之流速仪测流，大幅度缩短测验历时，从而降低工作成本，提高水文工作的效率，加速水文事业现代化建设的进程。

1 测验原理和方法

1.1 测验原理

“河猫”测量基本原理是物理学中的声学多普勒效应。当一个声源在移动时，它相对于接收者的频率将因为在介质中传播而发生相应变化。其频率为:

式中:f1为变化后接收者收到的频率;f为波源的固有频率;u为波在静止介质中的传播速度;ν0为测量者相对于介质的速度;νs为波源相对于介质的传播速度。

在水流速度不是很大、河底没有流沙的河道，“河猫”采用底跟踪系统对反射回来的声波信号进行处理。“河猫”通过接收和处理河底反射回来的信号来确定船体的绝对速度和实测断面处的平均水深，并通过接收和处理断面水体中的颗粒物反射回来的信号来确定水流相对于“河猫”的速度，从而得出水流的绝对速度。

1.2 测验方法

测量中，可以将“河猫”用船体拖拉、人工拖拉或缆道拖拉的方法在实测断面上行驶，将信号接收器放在岸上无线接收或在船上无线接收采集数据。无线采集数据的方式为抢测洪峰提供了安全保障。

2 “河猫”的设备和技术参数

2.1 硬件设备

以1.5MHZ“河猫”为例，一套完整的“河猫”设备主要由8个部分组成:①3个直径约6cm的换能器;②数据处理器(CPU);③信号传输电缆;④底跟踪定位系统;⑤DGPS定位系统;⑥无线信号传输接收器及电瓶;⑦配套船体;⑧便携式电脑。

2.2 系统软件(Riversurveyor)

Riversurveyor是“河猫”运行、操作软件，在Windows环境下运行，内含水温、水压、流速、导航及流量处理模块。使用时可进行参数设定、数据采集和存储。它的重要功能之一是将通过无线信号接收器接收到的数据和计算结果显示在计算机屏幕上，这样就可以一目了然地看到实时流量、流速及施测断面情况、“河猫”运动方向和水深随时间的变化情况，方便掌握河流实时动态和调整“河猫”使之保持在断面上的正确运行。

2.3 主要技术参数

1)流速:测量范围是±10 m/s，准确度为所测流速之±1%;分辨率为0.1 cm/s;精度为±0.5 m/s。

2)水深:测深范围在0.5～25 m。

3)温度:分辨率为0.01℃;精度为0.1℃。

4)环境要求:工作温度在 －5℃ ～40℃;存放温度在－10℃～50℃。

5)电源:输入电源为12V直流。

6)压力探头:应变式在±0.1%精度;RPT式在±0.01%精度。

3 比测实例

为了验证“河猫”的测验精度，在佳木斯水文站利用流速仪法与用“河猫”测流法进行了比测。佳木斯水文站断面规整，河床稳定，水流条件好，历年来水位—流量关系均为单一的关系曲线，含沙量较小且冲淤变化相对较小。

3.1 流量比测

佳木斯水文站自2003年引进“河猫”以来，在各水位级采用两种设备进行多次对比试验。在对比资料中，挑选部分比较具有代表性的资料成果(见表1)为研究对象，分析其在大、中型江河流量测验中的适用性。

3.2 试验方法

3.2.1 “河猫”测流

用非金属测量船牵引，按SL 337—2006的要求，及测验断面的河流特性，在不同水位级进行试验，以4次单程测流的平均值，来确定实测流量(见表1)。各参数数据的设置范围:深度单元数20～30;脉冲时间间隔5 s;深度单元尺寸6～8 m;岸边系数均取0.7;换能器入水深度0.10～0.15 m;最小盲区0.5 m。

3.2.2 流速仪测流

在测验断面按照河底及流向的变化，布设精密测速垂线25～30条，基本控制了断面流速变化的转折点，测验设备采用LS25—3A型流速仪测速，测速历时为100 s，每条垂线用多点法测速，岸边系数取0.7。测量成果见表1。

表1 “河猫”与流速仪流量测验数据成果表

3.3 适用条件

综上所述，“河猫”测流系统，在水文外业，江河流量测验中的适用条件是:

1)要求测验河段水体悬移质含沙量较小，以不影响其发射和接收声波信号即可。

2)选择河床稳定，不受冲淤变化影响，既没有推移质输沙量的测验断面。

3)要求选择水深>0.5m以上，断面比较宽阔的测验河段。

4)选择水位—流量关系单一的测验断面，精度较高。

4 在测验中需注意的问题

1)测量开始及结束需做好仪器的检查工作，以保证测验不出现问题。

2)各测量参数的设置需按照SL 337—2006的要求以及测验河段的水文特征进行合理设置。

3)航测时要求船速不能过快，以船速尽可能小于或等于水流速度为标准。

4)流量的确定应取4次单程测量平均值，并且与每单程测量的误差不大于±5%为标准。

5)对于宽浅式河道，低水测流时，岸边距离的测量要精确，且流速不能<0.055 m/s。

6)用金属船体测量时要使“河猫”距船体5m以上，以保证产生的磁场不影响内部数据运算及传输。做好以上工作是提高测验精度，减少误差来源的基本保障。

5 结语

利用“河猫”进行水文测验中的流量和断面测量，可以不受天气状况、断面条件和时间的限制，进行短时间内的连续测量;同时，使用“河猫”进行断面测量可以方便及时了解断面情况、水深情况，最大限度发挥灵活方便和测量准确的优点，改变了传统的水文测验方式，提高了测验效率，拓宽了测验范围。

随着“河猫”技术的不断改进，它将作为一种用来获得流速、流量等水文数据的有效方法被广泛应用，并最终取代常规测验方法。

［1］ 水利部水文局.SL 247—1999水文资料整编规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1999.