声学多普勒测流仪在奉化江潮流量测验中的应用

莫明辉,张沈阳

(1.宁波市水文站,浙江 宁波 315016;2.浙江省河海测绘院,浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

澄浪堰水文站由于重建原因,拆除了原有测流缆道,并于2009年4月安装了岸式声学多普勒流速仪(型号为淘金者-SL)和实时流量测报系统。系统安装之后,由于缺乏SL测得流速和断面平均流速的相关关系,于2011年7月采用全潮水文测验的方式,通过走航式ADCP(型号为RiverSurveryor M9)比测率定两者的相关关系。

由于澄浪堰水文站水位台采用虹吸式进水管,每天需要进行冲水防止进水口堵塞,所以水位在某一段时间会有突变。为了解决这一问题,首先应对冲水时间的相应水位进行插补。另一方面,由于河道淤积原因,SL安装不到最低水位处,低水流量一直测不到,本文通过直线插补的方法,推算出低潮部分的指标流速,进而通过相关关系推算出低潮部分的断面平均流速和流量。

2 流量测验方法与ADCP工作原理

2.1 流量测验方法

流量测验最常用的办法是流速面积法。流速面积法测量流量的原理是:通过横断面上单元面积的流量是该面积与水流速度(流速)的乘积。分别测量各个部分的流速和面积即可求得流量。此类方法要设置垂直于流向的横断面,进行断面测量。

对于流速测量,根据所用仪器设备不同,可以分为流速仪法、浮标法、超声波法、电磁法、比降法等几种方法。其中超声波法中的声学多普勒法是目前较为先进、可以频繁测量的方法,而岸式声学多普勒流速仪(SL)能够实现自动实时连续测量。

2.2 声学多普勒流速仪工作原理[1]

声学多普勒流速仪采用了一种称之为多普勒频移的物理原理来测量水流的速度。其测量原理是:如果一个声源与接收声波物体之间有相对运动时,接收声波物体所接收到的声波频率与声源发射的声波频率之间有一个差异,即有一个多普勒的频移。

2.3 流量的计算[2]

由ADCP实测的部分层水平流速与断面平均流速之间的关系可以由2种方法来确定,即理论流量的计算方法和指标流速的率定方法。对于水位变化比较大的天然河道,建议采用指标流速的率定方法,以得到更准确的流量数据。

指标流速的率定方法已经成为目前最流行的实时流量监测的先进技术。在水位和流量变化较大的条件下的流量测验。ADCP系统同时实测水平流速和水位,作为流量计算的原始数据。按照用户的经验,通过分析确定实测的水平流速与断面平流速之间的关系。将已经确定的实测流速与断面平均流速的关系方程式输入到ADCP的软件中,这样ADCP就可以实时输出已经率定后的瞬时流量了。

实际工作中我们采用一元三次多项式来做指标流速和断面平均流速的回归分析。

3 比测和分析

3.1 比 测

通过2011年7月 7—8日和2011年7月14—15日2次全潮水文测验的比较分析,得到断面平均流速和指标流速(多普勒测得流速)的相关关系。在指标流速和断面平均流速关系曲线绘制过程中,发现涨潮时二者之间存在良好的关系,但落潮时候关系稍差。经研究,发现落潮时,水位小于2.60m时 (SL安装位置2.00 m),SL测得的指标流速明显偏小,水位小于2.00 m时,SL露出水面,无数据,需进行插补。把落潮时2.00,-2.60 m指标流速删除后,得到二者之间线性关系的相关系数最高,其公式为:y=1.298 6 x-0.034,决定系数为 R2=0.973 3(见图1)。

图1 澄浪堰2011年 7月份比测图表

3.2 误差分析

根据这个关系式,得到2次水文测验断面平均流速和指标流速所计算得到的流量误差分析见表1。

表1 2011年7月流量误差分析表

从表1可知,SL和走航式ADCP的流量误差在10%以内,且具有良好的线性关系。

4 低潮流量插补 (VBA设计)

由于淤积原因,导致SL测不到低潮流量,因此,采用直线插补的方法对低潮部分的流量进行插补。

4.1 潮位合理性检验

由于澄浪堰采用虹吸式水位台,进水管淤积情况严重,为保持进水管能够顺利进水,每天在高低潮之间时段都要进行冲水,导致潮位数据在瞬间升高。所以先要对不合理的潮位数据,及采用这个潮位数据所得的断面面积进行修正。合理性检验见图2。

图2 潮位合理性检验图

图3 插补后的日流量过程线图

4.2 流量插补及成果输出

对SL测不到的指标流速部分,用直线插补的方式,插补出指标流速。由于SL在临界状态(将要测到或者测不到)的时候,流速变动幅度较大,故插补范围流速采用SL有效测区以外的时间段。再根据断面平均流速和指标流速的相关关系,计算出断面平均流速。根据相应潮位的断面面积,推算出断面流量 (见图3)。

5 结 语

(1)固定式ADCP的流量测验目前在技术上已经比较成熟,测流时建立指标流速与断面平均流速之间的关系,就能实现实时在线和遥测测流[3]。

(2)固定式 (岸式)ADCP需要安装在河道的冲刷岸,如果淤积则低潮部分测不到,需要采用插值的方法,插值出来的流量精度有待进一步验证。

(3)固定式(岸式)ADCP比传统流速仪具有更高的精度,但对于仪器安装位置的要求却比较严格,仪器的垂直波速指向角为1.4°(斜率1∶40),即测量距离为25 m时仪器上下必须要有0.6 m的水深,否则将造成测量数据精度下降。

[1]张照余.ADCP在嘉兴市水文测验中的应用[J].水利科技与经济,2007(3):177-179.

[2]许云,杨晓斌.东沟流量站的SL率定分析 [J].水资源研究,2005,26(2):47-48.

[3]欧芳兰.ADCP在感潮水文站的使用 [J].水利信息化,2011(1):40-43.