基于声学多普勒流速仪测流的断面流速分布研究

黄 炜，唐运忆，赵德友，丁昌言，李国栋

（1. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2. 江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏 扬州 225000；3. 江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224051）

基于声学多普勒流速仪测流的断面流速分布研究

黄 炜1，唐运忆1，赵德友1，丁昌言2，李国栋3

（1. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2. 江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏 扬州 225000；3. 江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224051）

选择泾河、射阳河闸 2 个水文站的走航式声学多普勒流速仪测流数据，进行测流断面上的垂向、水平层流速分布及垂向平均流速的横向分布研究。研究结果表明：对于顺直河段，垂线点流速分布基本符合理论流速分布；对于受感潮影响的测流断面，相对流速脉动和均化影响较大，难以找到流速分布规律。通过基于断面流速分布特点的断面有效测速单元确定，可以为测速垂线和垂线上测速点的布设、固定式声学多普勒流速仪安装位置选择等提供技术支撑。

声学多普勒流速仪；测流断面；垂向流速分布；水平层流速分布；垂向平均流速横向分布；有效测速单元

0 引言

断面上的流速分布是指流速在断面上沿水深和横断面方向的变化规律[1]，研究测流断面上的流速分布对分析河床演变和泥沙运动规律，以及开展水文测验等具有重要意义。传统的流速垂线分布测量方法采用单点式流速仪逐一对各条流速垂线上不同深度测点进行点测量。但这种垂线逐点测量方法费时、费力，已不能满足水文测验现代化的发展要求。近年来，基于声学多普勒原理的多普勒剖面流速测试技术得到了快速发展，并已普遍应用于流速、流量测验[2-5]。相比于传统的固定式垂线测量，具有速度快，精度高，不扰动流场等优点，且声学多普勒流速仪（ADCP）空间采样密度高，测速单元较多，测流时可以覆盖全部过水断面，能够提供更为精细的全断面二维流速数据，为断面流速分布模型的研究提供数据支撑。

选择泾河、射阳河闸 2 个水文站的走航式 ADCP测流数据，进行测流断面上的流速分布研究，旨在通过摸清流速分布进而指导测速垂线和垂线上测速点的布设、固定式 ADCP 安装位置的选择，以及为流速、流量测验中的异常数据的剔除，断面特性对流速的影响分析等提供依据。

1 ADCP 测流原理介绍

ADCP 是利用声学多普勒效应进行测流的[6-7]。换能器以固定的频率向水中发射声波，当声波碰到水中的声散射体（如浮游生物、悬浮粒子等）后，少量脉冲返回并被 ADCP 接收，反射回来的小数量的声脉冲频率发生改变，与发射声波的频率之间会产生一个频差，即多普勒频移，通过测量得到多普勒频移即可得到散射粒子的速度。由于水体中散射粒子悬浮于水中，它们的速度通常与水流速度保持一致，故颗粒物的速度即为水流的流速。ADCP 可以接受经悬浮颗粒反射后多个时段的回波信号，从而能够对不同水深处的水流速度进行测量，可同时获得垂向不同水深处的流速值[8]。ADCP 在移动过程中所测的垂线可以是非常多的条数，在每条“垂线”上设置不同厚度的深度单元，相应测到几十甚至上百个不同深度点的流速值。通过软件提取各个深度单元流速，能够提供更为精细的全断面二维流速数据，将全断面二维流速数据组合成流速剖面，进而得到测验断面的流速分布。通过对流速分布情况的分析，可为断面流速分布模型的研究提供数据支撑，并指导固定式 ADCP 安装和垂线等位置的选择。

2 ADCP 数据采集与处理

2.1 测站选择

江苏省内水系发达，航运频繁，且水利工程众多，大多测验河段受航运和水利工程调度影响较大。

大运河泾河站为南水北调市际控制站，测流断面河宽 180 m，常水位时水面宽约 140 m。测流断面的上、下游数千米范围内，河道基本顺直。测流断面处的河道，为人工开挖的规则梯形断面，河床土质以细颗粒粘土为主，两岸为块石护坡，断面冲淤年度变化率不明显，河势比较稳定。该河道为北煤南运的重要通道，航道等级为二级，年通航能力约5 亿 t，给该站水文测验工作带来了一定影响。射阳河闸为江苏省沿海最大的挡潮闸坝，该闸有 35 孔，每孔净宽 10 m，闸底板高程 -3.50 m，闸身全长410.1 m，是集挡潮、御卤、蓄淡、抗旱、排洪于一体的综合型闸坝。测站测验河段顺直，水面宽约270 m，高水时无岔流、串沟，河床及河岸均为砂土，闸上游河段冲淤变化甚微，主流一般稳定，但受闸门开启位置不同而略有摆动。

为此，选择泾河、射阳河闸 2 个水文站的走航式 ADCP 测流数据，做为江苏省内典型测验断面进行测流断面上的流速分布研究。

根据不同测验环境共选择 4 份测验样本，各样本基本情况如表 1 所示。

表 1 测验数据情况一览表

2.2 数据处理

在 ADCP 测流中，每完成 1 次采样，即 ADCP每完成 1 次信号发射、接受和处理，则视为 1 个呯，多个呯采样的平均值即为呯集合。根据各测次呯集合对应的起点距数据，泾河站各测次呯集合均化为 1 00 根垂线，射阳河闸站各测次呯集合均化为1 000 根垂线，便于进行样本内各测次数据的叠加分析。应用 WinriverⅡ 软件回放每半测回测量数据，输出 ASCⅡ 数据文件，提取测流断面上的二维流速、流向数据，以及每个呯集合对应的起点距数据。

走航式 ADCP 单次获取的垂线流速为瞬时的紊动流速，为了求取平均流速分布，需要将走航式ADCP 各次重复测量获得的多组瞬时流速作为平均流速，然而，垂线组数的选取对平均流速的值会产生影响。以泾河为例，以某一测点、某一层数据提取垂线流速，对采用不同垂线组数建立平均流速与垂线组数 N 的关系曲线，发现用于计算平均流速的垂线组数 ＞ 70 组（约 70%）时，平均后得到的流速值已趋于稳定。因此，在对各测点的流速数据进行分析时，选取的瞬时垂线组数均不小于全部砰集合的 70%。

由于 ADCP 可同时获取不同水深处的瞬时流速值 vi,j，因此，时均流速垂向分布可通过对各水深处瞬时流速的时间序列进行算术平均得到。不同水深处的时均流速值与标准差 σi可由下式得到：

式中：vi,j为第 i 层水流瞬时流速，i 表示第 i 层，j 表示第 j 根垂线；n 表示层流速单元个数；m 表示测点分层数量。

通过整理各样本的流速测量成果，发现各垂线上测点流速与其位置均有密切、一致的对应关系[9]。为考察各测点平均流速测量结果的可靠性及合理性，利用对测点不同水深处流速标准差 σi进行无量纲化，将测点所有水深处的相对标准差进行平均得到平均相对标准差，计算公式如下：

3 断面流速分布研究

3.1 垂向流速分布

在 ADCP 实测数据样本中，选择受外界影响较小的某个测次（即样本 1 中第 8 测次，样本 2 中第 48 测次，样本 3 中第 16 测次，样本 4 中第 29 测次），任意提取河道中泓 3 根垂线的测速单元流速数据，给出中泓垂线点流速分布图，如图 1 所示。

图 1 单次测验数据中泓垂线点流速分布图

理论上垂线上的流速分布可以拟合为抛物线、对数、椭圆、指数型等，由图 1 可以看出，单个测次中中泓垂线点流速分布基本符合理论流速分布，但是分布较为紊乱，流速脉动较大。

因此，为了避免单次测验成果中任意垂线的数据偶然性，将各样本中多次测验数据进行综合，取不同测次同一位置点流速的平均值，得到综合分析结果，如图 2 所示。

图 2 全体样本测验数据中泓垂线点流速分布图

通过图 1 和 2 可知：

1）单次测验成果同一垂线上不同水深的单元流速脉动较大，多次平均后可减弱脉动影响；

2）全体样本测验垂线上的流速分布，样本 1，2，3 总体上符合抛物线形，流速随水深增大而减小；

3）样本 1 单元尺寸为 0.5 m，规律较为明显，样本 2 和 3 单元尺寸较小（0.2 m），受流速脉动影响较大，规律相较于样本 1 不明显；

4）各样本流速分布在接近河底处易产生奇异值，因此在选择有效测速单元时应考虑避开河底部分；

5）样本 4 测流时流速较小，并受感潮影响，相对流速脉动和均化影响较大，因此难以找到流速分布规律。

3.2 水平层流速分布

取同一深度的单元流速计算平均值，可得到每一水平层的平均流速，层的深度取决于单元尺寸和号数。

泾河站测流断面选取部分垂线（20～50 号垂线）的每层平均流速与全部断面水平层平均流速进行对比分析，射阳河闸站测流断面取各水平层的最大流速与全部断面水平层平均流速作对比分析。水平层和部分垂线的平均流速或水平层最大流速的分布规律如图 3 所示。由图 3 可知：

1）断面水平层的平均和最大流速的垂向分布与图 2 中垂线上测点流速的垂向分布具有相似性；

2）样本 1，2，3 的全断面水平层平均流速和 20～50 号部分垂线水平层平均流速形状基本契合，总体分布上符合抛物线形，且流速随水深增大而减小；

3）样本 4 测时流速较小，样本 2 和 3 单元尺寸较小，受流速脉动影响较大，全部垂线水平层平均流速规律不明显；

图 3 断面水平层流速垂向分布图

4）样本 4 各水平层最大流速与平均流速差异较大，说明测流时受外界影响较大，异常数据较多。

3.3 垂线平均流速的横向分布

根据每条垂线上的单元流速数据计算垂线平均和最大流速并进行分析，得到垂线平均和最大流速的横向分布规律，如图 4 所示。

由图 4 可知：

1）横断面上的流速分布与断面形状有关，样本数据基本符合理论的流速分布规律，近两岸边的流速小于中泓流速；

2）样本 1，2，3 为同一测流断面，但不同水位和流速大小造成横断面流速分布不同，但仍能从图中看出，起点距 20～80 号之间垂线平均流速较为稳定；

图 4 垂线流速横向分布图

3）样本 2 和 3 各垂线最大流速与平均流速差异较大，说明测流时受外界影响较大，异常数据较多，与水平层平均流速表现一致。

3.4 有效测速单元选择

固定式 ADCP 比测率定精度与安装位置有很大关系。将断面流速分布中最能代表断面平均流速或与断面平均流速标准差最小的测速单元定义为有效测速单元。选择在有效测速单元附近安装设备（横向式 ADCP）和设置垂线（垂向式 ADCP），对更有效地率定关系有很大帮助。由于射阳河闸站受感潮影响，相对流速脉动和均化影响较大，水平层最大流速与平均流速差异较大，流速分布规律不明显，有效测速单元难以确定，为此取泾河站多个走航式ADCP 测流数据，做均化处理后，分析二维断面流速分布图，确定有效测速单元。

由分析可知，泾河站垂线点流速分布基本符合理论流速分布，水平层平均流速和部分垂线的水平层平均流速基本形状契合，总体分布上符合抛物线形，但在接近河底处流速易产生奇异值，因此在选择有效测速单元时需避开河底部分。因此，可以认为泾河站测流断面中垂向上 0.20～0.60 相对水深处，横向上 20～40 号垂线处为测流的有效测速单元。

采用有效测速单元流速均值作代表流速，并对测得的比测率定测验成果进行分析，得到泾河站指标流速 vi和断面平均流速 vp关系，即 vp= 0.916 vi，相关系数 R2= 0.998 9。对测点率定关系曲线进行三项检验，检验结果均小于检验临界值，符合资料整编规范要求。

4 结语

选择泾河站、射阳河闸 2 个水文站的走航式ADCP 测流数据，建立了江苏省内典型测流断面上的垂线、水平层流速分布及垂线流速的横向分布模型，分析了测流断面上的有效测速单元分布情况。研究结果表明，当河段较为顺直稳定时，垂线点流速分布基本符合理论流速分布；对于受感潮影响的测流断面，相对流速脉动和均化影响较大，难以找到流速分布规律。通过建立有效测速单元，并在仪器设备安装时选择避开流速分布规律不强或易产生奇异值的区域，可以更有效地建立断面平均流速与指标流速之间的率定关系。由于在固定式 ADCP 安装和运行过程中，受船行或闸门启闭影响的情况较多，因此在下一步工作中，应对受船行波或水利工程控制影响的测流断面的流速分布情况进行分析，建立不同测验环境下的流速分布模型，以期为固定式 ADCP 的安装位置选择、成功应用及比测率定提供更全面的帮助。

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Research on velocity distribution of fl ow measurement based on acoustics doppler current pro fi le measurement method

HUANG Wei1, TANG Yunyi1, ZHAO Deyou1, DING Changyan2, LI Guodong3
(1. Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Nanjing 210029, China; 2. Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau Yangzhou Branch, Yangzhou 225000, China; 3. Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau Yangzhou Branch, Yancheng 224051, China)

The research of vertical velocity distribution, horizontal velocity distribution, and transverse distribution of vertical mean velocity, is based on the shipboard-type ADCP discharge measurement data which are measured on Jinghe and Shenyang two hydrological stations. The results show that the vertical velocity distribution satisfies the theoretical velocity distribution on the straight section. It is dif fi cult to fi nd the velocity distribution law for the in fl uence of tidal fl ow on the cross section, which has a great in fl uence on relative velocity fl uctuation and homogenization. The effective velocity measurement unit of the cross section is determined by the velocity distribution characteristics of the cross section, which can provide technical support for the layout of velocity measurement points on the vertical and the installation location of fi xed acoustic Doppler velocity meter.

acoustics doppler current pro fi le; measuring cross-section; vertical velocity distribution; horizontal velocity distribution; transverse distribution of vertical mean velocity; effective velocity measuring unit

P335

A

1674-9405(2017)04-0061-07

10.19364/j.1674-9405.2017.04.012

2017-04-10

黄 炜（1981-），男，湖南永州人，工程师，主要从事水文测验、水信息技术及水环境等研究。