林培勇LIN Pei-yong

（廣東省水文局潮州水文測(cè)報(bào)中心，潮州 521000）

1 基本概況

1.1 水文站基本概況

陳橋水文站位于廣東省潮州市湘橋區(qū)鳳新街道陳橋村（位置示意圖見(jiàn)圖1），建于2002年，是北關(guān)引韓的控制站，韓江流域的二類基本水文站，該站常規(guī)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量。北關(guān)引韓是在韓江北關(guān)段竹竿山坡腳引入韓江水，主要為潮州市湘橋區(qū)、潮州市潮安區(qū)、揭陽(yáng)市揭東區(qū)提供部分飲用和農(nóng)田灌溉及工業(yè)用水服務(wù)。

圖1 陳橋水文站位置示意圖

1.2 所用的常規(guī)測(cè)流方法

陳橋水文站常規(guī)測(cè)流是采用人工拖拉搭載SonTek M9（以下簡(jiǎn)稱M9）的三體船于基上35m流速儀測(cè)流斷面處進(jìn)行測(cè)流，并通過(guò)臨時(shí)曲線法進(jìn)行定線推流。由于受上游北關(guān)引韓調(diào)控和下游渠道分流共同影響，水位流量關(guān)系非常紊亂。為保證資料的準(zhǔn)確性和可靠性、提高測(cè)驗(yàn)效率，陳橋水文站引進(jìn)了福建澳泰公司的ADV超聲波多普勒流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱：ADV流量計(jì)）進(jìn)行安裝并試用研究。

2 ADV流量計(jì)測(cè)流原理

所謂聲學(xué)多普勒效應(yīng)[1]，是指：聲源和觀察者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的聲音頻率將與聲源初始所發(fā)出的頻率不一樣。這個(gè)由于物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率差異，正比于兩物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。ADV超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量原理主要依賴于物理學(xué)中的聲學(xué)多普勒效應(yīng)。

ADV超聲波多普勒流量計(jì)運(yùn)用超聲波多普勒效應(yīng)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射固定頻率的聲源，流體中的固體顆粒起了與聲源產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，超聲波經(jīng)過(guò)固體顆粒反射回接收器上。發(fā)射器發(fā)射的聲波與經(jīng)固體顆粒反射后的聲波之間存在頻率差異，這個(gè)差異被稱為聲波的多普勒頻移，與流體流速成正比關(guān)系。所以，如果測(cè)量得到這個(gè)頻率差異，則可求得被測(cè)流體對(duì)應(yīng)的流速，進(jìn)一步推算得到流體的流量。

而運(yùn)用超聲波多普勒流量計(jì)測(cè)量流體流速的一個(gè)前提條件是：應(yīng)有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等兩相介質(zhì)存在于被測(cè)流體介質(zhì)中，這種介質(zhì)被稱為兩相流流體。而現(xiàn)實(shí)生活中，自然界中的大多數(shù)流體都是兩相流流體，這使得超聲波多普勒流量計(jì)成為了一種極具發(fā)展和應(yīng)用前景的測(cè)流方法和設(shè)備，正日益得到推廣和使用。

根據(jù)聲學(xué)多普勒頻移方程，固體顆粒和聲源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移的大?。?/p>

式中：

ΔFd——多普勒頻移動(dòng)；

F0——發(fā)射超聲波頻率；

C——水中聲速；

V——水的流速；

θ——相對(duì)于河水流向的發(fā)射波束和接收波束的夾角。

式（1）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

式中，當(dāng)超聲波發(fā)射頻率固定時(shí)，其值為常數(shù)，而換能器安裝后其夾角固定不變，即K也為常數(shù)。代入式（3）可得，流速V和多普勒頻移ΔFd、水的聲速C成正比。當(dāng)測(cè)得多普勒頻移ΔFd和水的聲速C時(shí)，即可通過(guò)公式計(jì)算出被測(cè)流體相應(yīng)的流速V。在本儀器中，C由溫度值換算得來(lái)。

3 測(cè)驗(yàn)內(nèi)容及方法

3.1 水位比測(cè)

ADV流量計(jì)安裝地點(diǎn)在陳橋水文站基本水尺斷面下游5m的斷面處，水面不存在縱比降，ADV水位和陳橋站基本水尺斷面水位存在較小的差值。水位比測(cè)是將ADV流量計(jì)水位和陳橋站召測(cè)水位兩者進(jìn)行比較。

3.2 流量比測(cè)

根據(jù)不同水流特性，選擇合適時(shí)機(jī)在基上35m斷面采用人工拖拉三體船載SonTek M9（以下簡(jiǎn)稱M9）進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。M9一般采用兩個(gè)測(cè)回的均值作為全斷面流量，根據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》，出現(xiàn)特殊水情（比如水位漲落變化快、流速較小閉合困難等）時(shí)，也可采用一個(gè)測(cè)回的實(shí)測(cè)流量平均值[2]作為全斷面流量。流量比測(cè)次數(shù)按不同水位和流速級(jí)均勻分布且不少于30測(cè)次。

4 比測(cè)率定分析

4.1 水位比測(cè)分析

本次選擇了陳橋水文站2022年1～9月不同水流條件下的時(shí)段進(jìn)行水位比測(cè)分析，以陳橋站召測(cè)水位記錄為準(zhǔn)，與ADV水位記錄比對(duì)。

從對(duì)比結(jié)果可以看出，2022年1～9月ADV水位與陳橋站基本水尺水位差值，水位絕對(duì)差在±2cm以內(nèi)的有295組，占97.4%，僅有8組數(shù)據(jù)差值為3cm，占2.6%。這說(shuō)明在平水期，陳橋站召測(cè)水位、ADV水位相差不大。

總的來(lái)說(shuō)，ADV流量計(jì)水位采集精度較高，水位偏差均在±2cm之間。除個(gè)別偶然因素導(dǎo)致出現(xiàn)個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)之外，整體上ADV水位數(shù)據(jù)變化較為穩(wěn)定且連續(xù)。因此，在使用ADV流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，可使用召測(cè)水位計(jì)記錄的水位數(shù)據(jù)。陳橋站召測(cè)水位與ADV水位對(duì)比成果詳見(jiàn)表1。

表1 陳橋站召測(cè)水位與ADV水位對(duì)比表

4.2 流速率定分析

本次率定測(cè)驗(yàn)，共收集了2022年1月～2022年9月30個(gè)測(cè)次的斷面實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與相應(yīng)ADV流量計(jì)數(shù)據(jù)，其率定水位變化范圍為7.72～8.67m，實(shí)測(cè)流量變化范圍為0.91～10.3m3/s，斷面平均流速變化范圍為0.18～0.67m/s，換算成對(duì)應(yīng)相近時(shí)間的代表流速（以下簡(jiǎn)稱代）的變化范圍為0.16～0.68m/s。作出斷面平均流速V平均與ADV瞬時(shí)代表流速V代表兩者相關(guān)關(guān)系圖如圖2。

圖2 代表流速與斷面平均流速關(guān)系曲線圖

由圖2可知ADV瞬時(shí)代表流速V代表與斷面平均流速V平均的相關(guān)關(guān)系式為：

式中：x——代表流速，m/s；y——斷面平均流速，m/s；其中數(shù)據(jù)復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9801，說(shuō)明ADV瞬時(shí)代表流速V代表與斷面平均流速V平均兩組數(shù)據(jù)有較好的相關(guān)關(guān)系。

4.3 關(guān)系曲線檢驗(yàn)

對(duì)上述代表流速和斷面平均流速關(guān)系曲線（簡(jiǎn)稱：代～斷流速關(guān)系曲線）進(jìn)行3種檢驗(yàn)分析，具體結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）的規(guī)定[3]，計(jì)算得到代～斷流速關(guān)系測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差Se為3.1%，隨機(jī)誤差為6.2%≤8%，系統(tǒng)誤差為0.19%≤±1%，均達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。由表2可以看出，3種方法對(duì)代～斷流速關(guān)系曲線的檢驗(yàn)均在臨界值范圍內(nèi)，檢驗(yàn)合格，達(dá)到規(guī)范要求，定線正確。

表2 代～斷流速關(guān)系曲線3種檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 流量合理性分析

5.1 實(shí)測(cè)流量對(duì)比分析

對(duì)參與率定30個(gè)測(cè)次的斷面實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與相應(yīng)ADV流量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

由表3和圖3可得，通過(guò)代表流速與斷面平均流速之間的關(guān)系計(jì)算得到的ADV流量與M9實(shí)測(cè)流量相差不大。其中，偏差最小為0%，最大為1.82%，相對(duì)誤差均小于或等于±2%的。這說(shuō)明代表流速和斷面平均流速的率定關(guān)系可靠，率定結(jié)果比較合理。

圖3 ADV流量與M9實(shí)測(cè)流量對(duì)比圖

表3 ADV流量與M9實(shí)測(cè)流量對(duì)比表

5.2 月平均流量對(duì)比分析

選取2022年1～9月ADV流量計(jì)月平均流量與陳橋站整編推流成果（通過(guò)臨時(shí)曲線法推流所得）進(jìn)行對(duì)比分析，月平均流量誤差對(duì)比見(jiàn)表4。由表4可得，采用常規(guī)推流與采用ADV流量計(jì)推算月平均流量相對(duì)誤差小于±2%的比例為100%；其中，最大相對(duì)偏差-1.40%，最小相對(duì)偏差0.39%?？梢?jiàn)，ADV流量計(jì)與常規(guī)推流計(jì)算出的月平均流量成果吻合較好。

表4 陳橋站ADV流量計(jì)與實(shí)測(cè)資料月平均流量對(duì)比表

6 結(jié)論

①通過(guò)本次分析可得，ADV流量計(jì)是一種先進(jìn)的聲學(xué)多普勒測(cè)流設(shè)備，它具有日常運(yùn)行成本低、快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且適用于不同工況和不同水流條件下的流量測(cè)驗(yàn)工作。陳橋水文站水位～流量關(guān)系一直飽受水利工程影響，ADV在線測(cè)流系統(tǒng)的引進(jìn)與使用，將有望有效解決流量測(cè)驗(yàn)的各項(xiàng)難題，減輕測(cè)驗(yàn)工作量和人力物力的投入，為水文預(yù)報(bào)和測(cè)驗(yàn)工作提供更為有效可靠的技術(shù)手段。

②將ADV系統(tǒng)的水位、流速、流量等數(shù)據(jù)應(yīng)用于水文資料整編，有效減少了資料二次錄入的錯(cuò)誤率，并進(jìn)一步提高資料整編質(zhì)量和工作效率。

③ADV流量計(jì)水位采集精度比較高，差值基本在±2cm之間浮動(dòng)。但在上下游水閘調(diào)控期間，由于受水流脈動(dòng)、水位漲落變化和漂浮物影響顯著，水位觀測(cè)誤差明顯增大，按照已有數(shù)據(jù)分析，水位誤差差值一般都在2～3cm之間。

④代表流速在0.16～0.68m/s時(shí)，代表流速和斷面平均流速?gòu)?fù)相關(guān)系數(shù)為0.9801，具有較好的相關(guān)關(guān)系。代～斷流速關(guān)系測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差分別為3.1%、0.19%和6.2%，均達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求，且代～斷流速關(guān)系通過(guò)三線檢驗(yàn)，故所率定關(guān)系比較可靠。

⑤通過(guò)流量對(duì)比分析，陳橋基上35m斷面實(shí)測(cè)流量與ADV計(jì)算流量相對(duì)誤差較小，基本維持在±2%之內(nèi)；周期較大的月平均流量相對(duì)誤差則較小；對(duì)比結(jié)果認(rèn)為，ADV測(cè)流系統(tǒng)可以應(yīng)用在日常的流量測(cè)驗(yàn)工作中。