水文新仪器在流量测验中的应用

谢 宁（湖南省水文仪器设备检测中心，湖南长沙410007）

水文新仪器在流量测验中的应用

谢 宁（湖南省水文仪器设备检测中心，湖南长沙410007）

随着各流域防汛抗洪形势的不断变化，很多水利工程的流量测验中传统的测流方法已经无法满足要求，必须引进并且采用先进的水文新仪器。而声学多普勒流速剖面仪作为一种水文新仪器，是一种利用声学多普勒原理对水流流速剖面进行测量的仪器。本文主要阐述了声学多普勒流速剖面仪在流量测验中的应用。

声学多普勒流速剖面仪；流量；测验；测速

引言

流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量。流量是反映江河、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据，也是河流最重要的水文特征值。传统流量测验仪器主要有转子式流速仪、超声波测深仪等。如今，越来越多的流量测验中使用了声学多普勒流速剖面仪这一种新型水文仪器，这种仪器的使用对于水文测验作业来说，是一项革命性的先进技术，将得到越来越广泛的应用。

1 声学多普勒流速剖面仪原理和分类

1.1 声学多普勒流速剖面仪原理

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）是利用声学多普勒效应进行测流。换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP所接收。悬浮物质随水流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。为了测量三维流速，ADCP一般装备有6个（或7个）声换能器。每个换能器与ADCP轴线成一定夹角，其轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。通过ADCP上安装的罗盘和倾斜仪，可以将测得的相对于ADCP坐标系的三维流速转换成地理坐标下的三维流速。

超声波水中传播速度会受到水温、盐度的影响；同样流速会因为水温和盐度的改变，而产生不同的多普勒频移，从而影响测量精度；超声波传播距离与超声波频率有关，与水中的悬浮颗粒的含量有关；含沙量仅仅吸收声能，并不改变超声波的传播速度和多普勒频移，所以并不影响测量精度。

1.2 声学多普勒流速流量剖面仪分类

按水文测流的应用，ADCP可以分为三大类，即走航式多普勒剖面仪、固定式多普勒剖面仪、便携式多普勒流速仪。

走航式多普勒剖面仪适用于巡测、固定断面以及突发事件测流的需要，具有较高的灵活性；

固定式多普勒剖面仪则适用于固定断面的流量实时在线监测；同样适用于常规测验困难、受工程影响的测流断面；

手持式多普勒流速仪适用于枯期河道、湿地、突发事件时流量快速测量等，显示出更大的灵活性和简便性。

2 ADCP与常规流速仪的比较

2.1 流速测量

常规流速仪是单点式测量仪器，无论是用什么原理测流，当它被布放在某一深度层时，都只能测出该层的流速。ADCP是一种“剖面仪”，无论它布放在水面平台上（如锚系船），或布放在河底，它都能测出该仪器所处位置的垂直剖面，即多个测点，应该称之为多点测量（即剖面）仪器。在一个垂直剖面上最大的测点数可达128个。由此看来，布放一台ADCP相当于垂直悬挂多台单点测流仪。可见其效率是十分高的。

2.2 流量测量

传统的河流流量测量方法是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线处测量水深，获得断面面积；用流速仪测量一至几个点的流速，得到垂线平均流速。进而获得断面平均流速。流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。这种传统方法费工费时，效率低。

用ADCP测流量时，ADCP装在测船上，当测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，ADCP马上测出河流流量。它的效率比传统方法提高了几十倍。该仪器的特点是能够直接测出断面的流速剖面和流量，测量时不扰动流场，测验耗时少，测速范围大，诊断维修方便。

从理论上讲，用ADCP进行流量测量的原理与传统方法的原理是相同的，都是在测流断面上测出多条垂线的水深和流速，从而计算出流量。但是它们之间存在着很大的差别：

（1）传统测量法中的“测点”数有限，一般一个河流断面只设5～7个测点，每个测点测出3～5个不同深度上的流速；而ADCP在船只航行过程中的采样率很高，即可以测到非常多的“测点”，而在每“测点”上可以测到几十个不同深度的流速值，实际上它是用积分的方法求出的，因此在数据质量上有了很大的提高。

（2）传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸；ADCP方法不要求测流断面垂直于河岸。船只航行的轨迹可以是斜线或曲线，这大大地方便了施测作业。

3 案例分析

3.1 案例1

黄陵庙水文站是三峡工程的专用水文站，各种先进的水文测验设备汇集一地，被专家称为先进仪器设备的试验基地。其中就有当代最为先进的两种测流设备——水平式和走航式声学多普勒流速剖面仪，即ADCP。由于三峡水库运行调度频繁，三峡大坝和葛洲坝两坝间水位流量变化较大而且快，用传统的测验仪器和方式，难以满足工程的需要。为此，引进并广泛应用了多种ADCP、GPS等先进设备，为工程及时收集提供水文资料。特别是具有在线实时监测流量的水平式ADCP的试运行，为较好解决黄陵庙流量问题创造了条件。采用走航式ADCP实施流量夜测，抢测到了入汛以来的最大流量。

3.2 案例2

2015年6月1日21时30分许，重庆东方轮船公司所属旅游客船“东方之星”轮在由南京驶往重庆途中，在湖北省监利县大马洲河段突遇龙卷风发生翻沉。长江委水文局使用走航式多普勒流速剖面仪（ADCP）展开实时、连续监测，监测出沉船水域上游附近的水深及对应的平均流速和最大流速，监测到的水文数据为一线救援工作提供了有力的技术支撑，发挥了重要作用。

3.3 案例3

2014年5月湘江湘潭段受19、21日湘潭连续降雨及上游大范围降雨影响，湘江湘潭段迎来5月的第二次洪水过程。5月21日23：00起涨，湘潭站水位30.63m，流量3230m3/s，于24日凌晨04：00达到洪峰，洪峰水位34.73m，实测洪峰流量9860m3/s。此次洪水过程，湘江湘潭段水位累计上涨4.10m，未超警戒水位。然而这次洪水尚未完全退去，因24、25日衡阳、株洲和湘潭的数十个站点的大到暴雨影响，湘江湘潭段又迎来一次新的洪水过程。5月25日06：00起涨，水位34.05m，流量8000m3/s。于26日晚上19：00出现洪峰，洪峰水位36.42m，精测法实测洪峰流量12500m3/s。湘江湘潭段水位累计上涨2.37m，未超警戒水位。传统测量一直采用老式流速仪测量，一次多线多点的流量测验时间达7h以上，须4～6人协作才能完成，而且还要进行后期计算、校核等工序，将一份精测法流量成果报出要8h左右。为测到测好这两次连续的洪水涨落过程，本次测量实施ADCP走航式测流12次，测验时间只需十几分钟，同时减少了复杂繁重的人工操作。对水位变化情况实时监测，向公众提供及时、准确的水位变化情况，为防汛部门提供决策和依据。

4 结语

ADCP的发明被认为是河流测量领域的一次革命，该仪器是近年来国际上流行的一种新的流速流量测量仪器。根据统计，到目前为止我国各大流域、交通部下属单位以及一些大学拥有近200台ADCP已经投入使用，并且取得了良好的效果。相信随着相关规范的不断健全、完善和实施，ADCP将会成为我国河流流量测量中使用的常规仪器。

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P335

A

2095-2066（2016）24-0028-02

2016-8-10

谢宁，女，工程师，本科，主要从事水文仪器检测工作。