声学多普勒测速在灌区渠道量水中的应用

□田玉昆

（新乡市生态保护局辉县分局）

0 概述

目前，超声波流速仪、激光流速仪和粒子图像测速系统也已应用到了灌区渠道水流速测量中。但有的测速装置一是价格昂贵，二是要专业的人员操作等，限制了在一些灌区中推广应用。厦门博意达科技有限公司生产的LSH10-1A、HXH03-1型超声波多普勒流速仪的工作原理是声学“多普勒效应”，在河渠流速测量中限制条件少、应用范围广，能精确地反映出各种水流的形态、强弱的水流流速。特别是装置没有传统转子测速仪中的转动部件，充分体现了在河流或渠道工作时不破坏、不干扰河水流流场的优点，具有抗干扰能力强和灵敏度高的特点。新型超声波多普勒流速仪能准确和快速地测量河道水文和现代化灌区渠道水流等重要参数，为灌区水利用系数和灌区的量水工作提供了一种新的测流装置和方法。

1 传统流速仪与超声波多普勒流速仪对比

河道和渠道水体中常常会有一些漂浮物和水生物，当使用常规的转子测速仪测量流速时，这些水草漂浮物会缠绕住测速仪的转动轴，使所测得的流速数据严重失真，甚至使转动轴停止工作。在实际的流速测量时，理想状态是不破坏河道或渠道中水流的自然流态，但旋桨式流速仪在测量流速时会对自然水流的流态形成干扰和破坏，对测量的流速数据产生一定的影响。声学多普勒原理测量流速等水文参数精度高，在河渠流速测量中限制条件少、应用范围广，能精确地反映出各种水流的形态、强弱的水流流速。特别是装置没有传统转子测速仪中的转动部件，充分体现了在河流或渠道工作时不破坏、不干扰河水流的流场的优点，而且不受渠道水中漂浮物的影响。超声波多普勒流速仪没有启动流速要求、分辨率高、感应灵敏，与传统流速仪比较，能更好地解决在水体中泥沙堵塞，水草、杂物缠绕等问题。

2 灌区渠道流速测量

多普勒流速仪在实际使用中，无论水流强弱都能精确地反映出水流的流速；可测瞬时流速，也可测平均流速。但在渠道测速实际应用中，除了有高精度的仪器外，还应注意如下几个方面。

2.1 选择合适的测流断面

要求选择测流的河流或渠道断面相对稳定，水流无紊流、回流现象，在水流稳定的地方作为渠道测段，水流方向应与断面垂直，冲淤变化小，测流的渠道断面应避开闸、桥等影响水流的建筑物。

测流断面应选择在渠段平直、水流均匀，测流断面相对稳定，避开闸口、支渠口、弯道、扬水站或断面变化较大等干扰水流的测段。

2.2 平均流速的测定

渠道断面流速测量可根据需要选择一点或多点进行测量，当需要进行渠道流速多点测量时，可通过求平均值的方法得到渠道水流的平均流速。几种流速的测定方法见表1。

表1 几种流速的测定方法表

2.3 流速比测

为了验证多普勒流速仪在灌区渠道流速测量的实际效果，选择了不同渠道断面1 和渠道断面2 分别进行了渠道流速测量，并与传统的流速仪进行流速比测。测流渠段和测流断面的选择按文中所述的原则。

在进行渠道流速测量时，尽管每次测量的位置和测量时长相同，但测量的流速值也不会完全一致，原因是渠道中的水流不是稳定的均匀流，所以在进行渠道水流流速测量时，流速的测量时间应≥30 s，同时适当增加流速的测定次数并取其平均值，该平均值与流速实测值的相对误差满足声学多普勒流量测验规范SL337-2006 的误差要求，表2 为测流断面处利用多普勒流速仪和传统流速仪比测的部分流速数据。

流速实测值与流速平均值之间的相对误差按式（1）计算：

表2 可以看出，测试的断面1 和断面2 的平均流速的相对误差值均＜5%，在相关规范对流速测量的误差规定范围内。在渠道断面的形式上，有研究者进行了比测并得出了结论，声学多普勒流速仪适用于宽水面的渠道测速，不适用于窄深渠道断面的流量测量。因为在矩形渠道断面较窄、边缘流速较大的情况下使用声学多普勒剖面流速仪测流会产生较大误差。对于窄深渠道断面，在相对固定流速测定位置的情况下，也可以通过流速比测结果，设定调整系数来解决，扩大声学多普勒流速仪的使用范围。一般来说，只要介质不使回波信号强度弱到接收探测器的阈值之下，并且不干扰频率，仪器的测量精度就有保证。

3 应用前景分析

声学多普勒流速仪测流在提高了测流的精度和效率的同时，也减少了测量人员的工作强度，应用前景广阔。多普勒流速仪在实际使用中需要操作人员少，测量时间短，数据获取自动化程度高。声学多普勒流速仪给大范围、动态测量提供了条件。除了获得水体空间三维流场数据外，还可以计算流量及悬沙浓度等资料。

随着科学技术的发展，声学多普勒流速测量技术在水利领域方面也在不断地更新和完善，实现水管理信息化、自动化和智能化。

4 结语

河流和渠道中测量流速流量时，虽然传统的测流装置和方法也可满足使用，但水体中漂浮物会对传统的转子流速仪的测量结果产生较大影响，不能实现实时监测，费工费时，效率低。LSH10-1A、HXH03-1型超声波多普勒流速仪在河渠流速测量中限制条件少、应用范围广，在河流或渠道工作时不破坏、不干扰河水流的流场，能精确地反映出各种水流的形态、强弱的水流流速，快速地测量河道水文和和现代化灌区渠道水流等重要参数，抗干扰能力强和灵敏度高的特点，应用领域广泛。