声学多普勒流速剖面仪应用浅析

吕文婷

(吉林省水文水资源局通化分局，吉林 通化 134000)

声学多普勒流速剖面仪应用浅析

吕文婷

(吉林省水文水资源局通化分局，吉林 通化 134000)

对声学多普勒流速剖面仪在实际应用中进行了分析。通过在白山水库采用走航式及定点测流(垂向代表线法)两种方式，对白山水库测流断面进行了流量测验、流速分布及流向测量。声学多普勒流速剖面仪既适用于自由水面又适用于封冻期测量，最后对声学多普勒流速剖面仪进行了讨论。

声学多普勒流速剖面仪;流量测验;浅析

1 概述

靖宇核电水文站位于白山市靖宇县岗顶村南侧头道松花江白山水库左岸的台地上，地理坐标东经127°05'，北纬42°04'。在该站断面上采用250 KHz的声学多普勒流速剖面仪(ADP，下同)对核电水文站测流断面进行了流量测验及流速分布测量，分别采用了走航式及定点测流(垂向代表线法)两种方式。

测船采用铁壳船，为了去除铁壳船对仪器罗盘的干扰，仪器通过支架伸出船舷1.0 m左右。

声学多普勒流速剖面仪技术指标如下:

频率 最大剖面 最小盲区 可选系统(KHz)深度(m)距离(m)250 180 1.5标准系统500 100 1.0 标准系统1 000 40 0.5 标准系统1 500 25 0.4 标准、小型与河猫3 000 6 0.2 标准、小型与河猫

● 测量范围:±10 m/s

● 分辨率:0.1 cm/s

● 准确度:所测流速的 ±1%，±0.5 cm/s

测验执行相关规范:《声学多普勒流量测验规范》(SL337－2006)

2 走航测量

为了获取断面的形状，采用了走航式进行断面测量。

走航测量历时40 min，船速平均约0.35 m/s。测时直线距离为814.35 m，加上两岸估计距离，总河宽近900 m，与采用全站仪得到的892 m相符。测量过程中，与测深仪进行了对比实验，在80 m以内，ADP得到的水深和测深仪得到的水深几乎一致，而水深超过80 m时，测深仪无测量数据作为比较。只要测船的航行轨迹与测流断面重合并没有弯曲的情况下，采用走航式的方法对河道断面形状的测量，是可取的。

根据ADP的实测成果绘制的靖宇核电白山水文站大断面示意图，见图1。

图1 大断面示意图

与声学多普勒流速剖面仪相适应的ViewADP软件具有比较强大的数据分析能力，也就是说，在正确获取的走航测量的原始数据基础上，ViewADP软件可以对整个断面的流场、流向、水平层流速、垂线流速分布给出直观的反映。

3 定点测流(垂向代表线法)

定点测流的原理如下，其与传统的多线法相同，不同的是使用声学多普勒流速剖面仪(ADP)能测得整个垂线的流速分布和流向。需要指出的是ViewADP软件对定点测流(垂向代表线法)特别对低流速测量、冰期测量、有底沙运动情况以及洪水期测量非常适用。

不可否认，在流速很小，风速很大，而水深限制了抛锚作业时，定点测流也有一定的困难。

(1)测验根据断面形状，测量首先选择了15条，此后选择了9条垂向代表线，基本控制了断面的转折点。

(2)采用测流历时300 s。

(3)定点测流共施测了两次，从两次测流的结果来看，第一次测量的水面宽为900 m，断面面积为46 400 m2，流量为626 m3/s，断面平均流速为1.35 cm/s。第二次测量的水面宽为892 m，断面面积为46 730 m2，流量为633 m3/s，断面平均流速为1.35 cm/s。两次测量的误差较小。走航测流中得到的断面面积为45 567 m2。

(4)应当指出:对于大范围的静止水体，流速往往存在紊动现象，而且这种紊动往往是大空间尺度和时间尺度的。这次测流的结果也印证了这一现象。如此的水深和低流速，难免会造成非常大的紊流和流速的不确定度。解决的办法是适当加长测量时间(我们采用了300 s)，或者抛锚，但是由于现场条件所限，测量不具备过多加长测验时间的条件(主要是船在风力影响下的漂移)。

(5)定点测流成果如计算机界面所直观显示，见图2、图3。

图2 流速－流向－深度分布图

(6)采用垂向代表线法测量，从测流结果来看，断面流速分布存在一定规律性，局部区域会出现逆流，个别区域流速会较大，这与大面积静止水体的流速分布及变化规律相符。

4 结论

(1)从多次测量的结果分析出，走航方式获得的断面形状与实际基本相符。但在流速测量、流量测量以及流场分布的测量上，其测量误差难以满足测量要求。

图3 流量－深度－面积分布图

(2)由于该断面水体面积很大，而流速很小，属于相对静止的水体。这类水体的紊动特性比较强，很容易受温度、风、来水等的干扰而发生流速变化，而且紊动时的空间尺度和时间尺度都比较大，上下层、左右岸的流速甚至相反，因此定点测流是获取高质量数据的保证。

(3)对于靖宇核电水文站断面的测验来说，采用最佳的声学多普勒流速剖面仪的频率为500 KHz比较适宜，仪器采用定点测流的方式;仪器最大深度满足白山水库库区实况，又包含了涨落变化，测量方法既适用于自由水面又适用于封冻期测量。

(4)在测验中，水面下大约25 m处声波信号有明显变化，原因是藻类或者异重流、或者温度跃层，这需要借助水质仪器确定和核实。

P641.71

B

1004－1184(2011)06－0158－02

2011－09－27

吕文婷(1969－)，女，吉林通化人，助理工程师，主要从事水文与水资源管理工作。