張 羽，柳 恒，趙 明，任寶學

（松遼委水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河164300）

1 聲學多普勒流速剖面儀

1.1 簡介及測流原理

SonTek/YSI 公司歷經(jīng)數(shù)年結(jié)合全球應(yīng)用經(jīng)驗研究開發(fā)的RiverSurveyor M9 聲學多普勒水流剖面儀，體積小巧、功能強大、易于操作，內(nèi)置微處理器直接計算流量并保存數(shù)據(jù)，無需依靠外部程序，數(shù)據(jù)也不會因通訊中斷而丟失。可進行走航式和定點式流量側(cè)驗。

M9 型聲學多普勒流速剖面儀配有9 個換能器,換能器與ADP 軸線成一定夾角,每個換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射固定頻率的聲波,然后接收水中顆粒物散射回來的和水流速度相同,則當顆粒物接近換能器時,換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高; 當顆粒物背離換能器時,換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波的頻率低。聲學多普勒頻移(即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差)的計算式為

式中: FD為聲學多普勒頻移；F 為發(fā)射聲波的頻率；v 為顆粒物沿聲束方向的移動速度（即沿聲束方向的水流速度）；C 為聲波在水中單位時間內(nèi)傳播的距離。

1.2 定點測量方法及流量計算

聲學多普勒流速剖面儀封凍期定點測量方法遵循于ISO 國標準的流速面積測量技術(shù)（類似于我國常用的轉(zhuǎn)子式流速儀斷面布設(shè)垂線的測驗方法）。通常，沿著測量的斷面線，布設(shè)若干條測量垂線，以獲得更精確的垂線剖面的代表垂線平均流速，從而通過計算，得到過水斷面的流量。封凍期定點測流方式就是在斷面上布設(shè)冰孔，通過冰孔施測流速和水深。每個冰孔看作是一條測量垂線，M9 通過定點測量軟件RiverSurveyor Stationary Live 測量冰孔部位水深和垂線剖面的平均流速，再由冰孔間距，從而計算出流量。

水深通過8 個測速波束計算獲得，也可以通過1 個垂直波束實測獲得，或者采用其它測量水深的方法（例如采用測桿或其它測深設(shè)備）人工輸入到定點測量軟件中而獲得水深數(shù)據(jù)。垂線剖面的平均流速是通過測量到的河床以上所有有效測量單元的流速進行計算而獲得。每條部分垂線的寬度即相鄰兩冰孔的間距。

2 垂線及測點布設(shè)

由于俄方未允許全江測驗，所以儀器比測在卡倫山站基本斷面進行半江測試，10 條垂線，選定10 個冰孔，間距30～40 m。

M9 換能器放在冰底或冰花底部以下0.10 m 處，一點法。流速儀采用LS1206B 型懸索測流，根據(jù)有效水深，確定垂線測點數(shù)量和相對位置，測點布設(shè)見表1。

表1 流速儀測點布設(shè)

3 參數(shù)設(shè)置

3.1 流速系數(shù)

M9 岸邊流速系數(shù)α：水深均勻地變淺至零的斜坡岸邊α 值取0.67～0.75；陡岸邊，不平整時α 值取0.8，光滑時α 值取0.9。

岸邊流量估算通常采用岸邊區(qū)域平均流速乘以部分面積而得，岸邊區(qū)域平均流速Vα按下式計算：

式中：Vm——為起點微斷面（近似垂線）或終點微斷面內(nèi)的深度平均流速；α——為岸邊流速系數(shù)。

卡倫山、上馬廠站采用流速儀法測流時，岸邊流速系數(shù)取0.70 來估算岸邊流量。根據(jù)兩站岸邊實際情況，M9 岸邊流速系數(shù)定為0.7，與流速儀法相同，中間部分采用1.0。

3.2 其它參數(shù)

M9 可以應(yīng)用走航式軟件測算磁北艘向（方位角），這是沿著斷面線從左岸指向右岸的羅盤方向。卡倫山測得為326°，上馬廠為224°。水溫儀器默認為15 ℃，由于北方河流冬季水溫較低，對測量結(jié)果有一定影響，故流量數(shù)據(jù)處理時溫度采用儀器工作時的水體溫度平均值加以修正，鹽度參數(shù)設(shè)置為0。冰厚或冰花厚用量冰尺人工觀讀，M9 和流速儀采用相同冰厚數(shù)據(jù)。

4 比測參數(shù)

4.1 定點流速

M9 使用懸桿進行冰孔測驗，換能器放在冰底或冰花底部以下0.10 m 處，一點法測平均流速。流速儀流速采用各測點算數(shù)平均值代表垂線流速。

4.2 流量比測

M9 與LS1206B 型常規(guī)流速儀同水位狀態(tài)下比測流量，流速儀流量按照部分平均法加和求得。M9 儀器根據(jù)水深自動給出采樣單元數(shù)，流量計算軟件設(shè)定為部分平均法計算流量。

5 比測結(jié)果

5.1 流量比測結(jié)果分析

M9 和流速儀定點流量測驗采用具有代表性的樣本進行分析[2]，流量測驗數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出M9 和LS1206B 兩套系統(tǒng)流量測驗結(jié)果吻合較好，流量誤差在2%以內(nèi)。M9 測回內(nèi)偏差也在1%以內(nèi)，儀器性能穩(wěn)定，效果理想。

5.2 流速比測結(jié)果[3]

LS1206B 施測垂線平均流速與M9 施測流速吻合較好，施測樣本對應(yīng)冰孔兩者相對誤差在5%以內(nèi)。測點歷時采用100 s，很好地克服了脈動現(xiàn)象的影響。部分冰孔由于冰底有流動的冰塊儀器無法入水施測，無數(shù)據(jù)。流速測次數(shù)據(jù)見表3。

表2 M9 和流速儀測驗流量數(shù)據(jù)

表3 M9 和LS1206B 流速儀施測流速數(shù)據(jù)m/s

6 比測結(jié)果評價

6.1 測驗結(jié)果

M9 和流速儀法流量的比測結(jié)果理想，流量誤差在2%以內(nèi)，兩者對應(yīng)垂線平均流速也在5%內(nèi)，達到規(guī)范要求。

6.2 測驗誤差

由于黑龍江冬季冰層較厚，河底經(jīng)常有冰花的存在，儀器是依靠聲波的發(fā)射和接收，聲波在發(fā)射和接收過程中，會受到各種非流速因素的干擾和影響,尤其是冰期水下冰花較多，冰花或冰塊對換能器有一定的干擾，這種干擾和影響若超過一定的范圍則會產(chǎn)生流速誤差。所以觀讀冰厚時要弄清是否有冰花的存在，并要測得冰花厚度，以使儀器操作軟件開啟帶有冰花情況下的測量模式，測得準確的數(shù)據(jù)。

6.3 測驗心得

為提高精度和減小誤差，測驗中積累了一些經(jīng)驗：

1）在每一次流量測量之前，進行羅盤校正。羅盤校正可用來補償該測量地點的磁場對儀器內(nèi)羅盤的影響。將儀器旋轉(zhuǎn)完整的3 個圓周，在旋轉(zhuǎn)的過程中，盡可能地搖動換能器，并改變羅盤的縱搖和橫搖的姿態(tài)。2）要準確測得方位角。3）要精確測量出M9 換能器入水深度及所處冰底或冰花底部的位置。4）連接換能器的懸桿要保證無磁性，去除外來磁場對儀器干擾；懸桿要牢固，避免換能器在冰孔中晃動。

7 結(jié) 語

M9 作為先進的水文測驗儀器，在流量測驗中，發(fā)揮著越來越重要的作用，2013年黑龍江干流大洪水期，M9 型聲學多普勒流速剖面儀完成了在高水位、高流速情況下的洪水測驗任務(wù)，儀器性能穩(wěn)定，效果良好。冰期使用M9 進行定點流量測驗，代替了爬犁和鉛魚等笨重的測驗設(shè)備，操作輕便，降低了勞動強度，測驗歷時較傳統(tǒng)方法縮短了約2/3 的時間，大大提高了工作效率，縮短了江上作業(yè)時間。經(jīng)過比測精度達到了水文測驗要求，M9 已經(jīng)投入到黑龍江干流冬季流量測驗中去。作為一種有有別于傳統(tǒng)方式、高科技新型的水文測驗設(shè)備，可供研究和挖掘的東西尚有很多，只有不斷的總結(jié)和摸索，充分發(fā)揮其性能，才能為水文事業(yè)發(fā)揮更大的作用。

［1］ SL337-2006，聲學多普勒流量測驗規(guī)范［S］.

［2］ 宋志宏，田淳.聲學多普勒流速剖面儀在長江口的應(yīng)用［J］. 水文，1997（6）.

［3］ 水利部珠江水利委員會水文水資源勘測中心.ADCP 比測成果報告［R］.2002.