聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期流量測驗關(guān)鍵技術(shù)探索.docx

1、文章編號1002-0624(2010)01一0004-03聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期流量測驗關(guān)鍵技術(shù)探索劉陽明，李加偉，吳高莊（松遼委黑龍江水文水資源勘測局，黑龍江黑河163400）摘要在黑龍江干流卡倫山水文站首次將聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用到封凍期河流流量測驗中，與機械旋漿式流速儀進(jìn)行了封凍擁流量比測試驗。結(jié)合實測對應(yīng)用中遇到的問題，提出針對性的建議和措施，進(jìn)而提高聲學(xué)多普勒流速儀在封族期進(jìn)行流量測瞼的精度，并為進(jìn)一步拓寬該儀器的應(yīng)用范圍提供有利的技術(shù)支持。關(guān)鍵詞聲學(xué)多普勒流速儀；封凍期；流量測驗中圖分類號P335L1近年來，聲學(xué)多普勒流速儀在暢流期水文測驗中已廣泛使用，而在封凍期流量測驗的應(yīng)用則受到

2、地域和氣候的限制,基本尚未開展。為適應(yīng)水文現(xiàn)代化要求，減少封凍期流量測驗勞動強度，提高測驗精度，首次將聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用到封凍期河流流量測驗中。于2007,2008年冬季及2009年春季期間，在黑龍江干流卡倫山水文站進(jìn)行了ADP與機械旋漿式流速儀封凍期流量比測實驗。結(jié)合實際操作中遇到的問題以及聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范中未對封凍期流量測驗做出規(guī)定的方面，提出針對性的建議和措施，進(jìn)而提高聲學(xué)多普勒流速儀在封凍期河流的流量測驗精度，促進(jìn)了聲學(xué)多普勒技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展。1斷面磁方向校正在使用ADP進(jìn)行冰期流量測驗前，需做一次斷面磁方向標(biāo)定，來確定河道流量測驗的斷面線。如果ADP磁羅經(jīng)出現(xiàn)問題或在外部磁場

3、干擾下進(jìn)行ADP標(biāo)定斷面方向時，會影響到ADP流量測驗的精度。在測驗過程中需使用外帶羅經(jīng)進(jìn)行斷面磁方向校對，誤差應(yīng)小于2。如果磁方向角大于2。,應(yīng)及時對ADP換能器進(jìn)行羅盤校正，并按ADP儀器操作手冊中的方法對儀器進(jìn)行羅盤校正。ADP進(jìn)行斷面磁方向標(biāo)定時，由于ADP方向箭頭很小而且還在儀器換能器的下面，這樣現(xiàn)場4文獻(xiàn)標(biāo)識碼A標(biāo)定箭頭與斷面線是否在一直線時，本身就存在不可避免的誤差，需標(biāo)定35次，取其均值作為斷面方向數(shù)值來減小誤差。2ADP單條垂線測驗歷時分析確定減小ADP流量測驗歷時并能保證流量測驗精度，主要取決于ADP進(jìn)行單條垂線水深和流速測量時間。通過對只結(jié)冰的垂線、既結(jié)冰又有冰花的垂線、

4、有兩層冰的垂線在20,40,60,80,100,120,150,200s以及300s的時間內(nèi)測量的水深和流速，分析其在歷時最短又能保證水深和流速的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。（1）測深歷時分析。采用每間隔5s測量一次垂線水深，連續(xù)累積300s（圖1）,測試水流變化和河底河床的穩(wěn)定性。采用在300s內(nèi)每間隔5s測量一次垂線平均水深，并連續(xù)累積計算平均水深（圖2）。實測分析出在最短時間內(nèi)水深趨于穩(wěn)定,且接近真實的水深。通過圖1,2和可以看出測驗歷時在30s后垂線平均水深趨于穩(wěn)定。（2）測速歷時分析。采用每間隔5s測量一次垂線平均流速度連續(xù)累積300s,測試水流脈動的周期和頻率o采用歷時300s內(nèi)每間隔5s測量

5、一次垂線平均流速度,連續(xù)累積計算垂線平均流速。通過實測數(shù)據(jù)分析，測驗歷時在100s后垂線5.0-名3.53，q°S?SS88?SS8S?SSS時間/s圖1垂線實測水深歷時分析圖E4.2彖4.1J54.0K391uu»iII1_II_III_I_>時間/s圖2垂線平均水深累計過程線平均流速實測值趨于穩(wěn)定，但由于可能受冰孔圍周冰厚不均勻、冰花分布不均勻、冰鉆車打孔后破壞了垂線的冰厚和冰花的自然分布等因素影響，垂線測驗歷時還需延長。在120s與300s內(nèi)計算的垂線平均流速基本相等，最大誤差不大于3%,這說明歷時120s內(nèi)實測的垂線平均流速能夠反映出當(dāng)時垂線平均流速情況，滿足

6、河流流量測驗規(guī)范要求。冰期ADP垂線流速和水深的測驗歷時為120s,如遇到特殊情況，包括河道冰情變化、時間限制、特殊水情等，垂線流速和水深的測驗歷時不應(yīng)小于100so3ADP垂線測量時換能器位置的選擇及冰花處理ADP進(jìn)行垂線測量時換能器的入水深度和所在冰孔冰厚的位置對實測垂線平均流速有直接的影響。為此在現(xiàn)場進(jìn)行了多次比測實驗。ADP換能器發(fā)射聲波信號的部件沿主軸向外側(cè)傾斜25°,當(dāng)ADP的換能器放在水面與冰底部之間時，換能器發(fā)射的聲波反射回ADP換能器。接收過程中受到冰厚的影響，聲波發(fā)生了變化，不能夠接收到有效信號，嚴(yán)重影響了實測水深和流速的有效性，因此應(yīng)將ADP換能器放到冰底部51

7、5cm處，從所測得的流速相對穩(wěn)定，與機械流速儀測量值相對接近。遇到有冰花的冰孔，當(dāng)ADP換能器放在冰底，所發(fā)出的聲波通過冰水混合時,改變了聲波的波長，使ADP換能器不能接到原波長的聲波，故將無法測到水深流速，應(yīng)將聲學(xué)多普勒流速儀放到冰花以下515cm處。對于有2層冰的冰孔,應(yīng)將ADP換能器應(yīng)放到二層冰下10cm處。ADP探頭放在距冰底距離較近時，探頭附近周圍的冰厚有可能高于探頭底部。ADP在實測過程中，第一個受噪音影響的速度點的速度值小于，等于零，這樣使頂部插補的曲線為零值的直線，測得的垂線平均流速也為。因此探頭應(yīng)放在冰孔底部以下10cm處。換能器放到冰孔的冰花下面，與實際旋漿式流速儀的實測結(jié)

8、果是相同的。應(yīng)將ADP探頭放在第三點流速的下面，不然就會出現(xiàn)有效水深變大，擬合的垂線流速曲線與實際情況不符，垂線平均流速變小。4概化外延垂線流速分布暴指數(shù)計算方法4.1概化垂線流速分布慕指數(shù)模型ADP使用RiverSurveyor軟件采集垂線120s數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲存到一個獨立的測量文件中，并以每0.25m為一個采樣單元對速度剖面進(jìn)行垂直積分，對每個采樣單元進(jìn)行平均，得到垂線的平均流速。ADP在進(jìn)行垂線測量過程中，實際測量的區(qū)域為斷面的中部區(qū)域（中層），這個區(qū)域稱為ADP實測區(qū)。而在垂線上下兩個邊緣區(qū)域內(nèi),ADP由于受方法及現(xiàn)有技術(shù)的限制，不能提供測量數(shù)據(jù)或有效測量數(shù)據(jù)，因此存在上下兩個盲區(qū)。

9、第一個區(qū)域是靠近水面（表層）的盲區(qū)，由于換能器由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)時，需要一個時段，而在該時段內(nèi)，換能器附近水域的反射信號已經(jīng)返回，換能器來不及接收這些信息，且由于受冰層的漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測失真，因此形成了表層盲區(qū)，其厚度大約為從冰底到換能器底部及垂線第一個單元厚度之和，約為35cmo第二個區(qū)域是靠近河底（底層）的盲區(qū)，稱為“旁瓣區(qū)”（河底對聲束的干擾區(qū)）。由于受河底漫反射影響而造成噪聲較大，聲波檢測失真,盲區(qū)厚度取決于ADP聲束角，即換能器與ADP軸線的夾角。兩部分盲區(qū)其流速需要通過實測區(qū)數(shù)據(jù)外延來估算，均采用概化垂線流速分布蒂指數(shù)模型插補盲區(qū)流速曲線分布。根據(jù)不同水位級

10、精測法測點流速資料，采用概化指數(shù)流速分布公式求得:與=卜可式中"一某相對水深7?處的測點流速;垂線上最大測點流速,一般用垂線有效水深0.5位置點流速代替;7?相對水深，為Z/H,Z為測點離河底距離,H為水深(由河底起算)；幕函數(shù)指數(shù)。根據(jù)式(1)可確定幕指數(shù)6：1叫=10+6廚(2)將實測垂線點流速和對應(yīng)的相對水深7?點繪在雙對數(shù)坐標(biāo)上，采用嘉指數(shù)公式擬合直線的斜率，即為居值，可用Excel宿函數(shù)取雙對數(shù)擬合,截距為IgTJ。按聲學(xué)多普勒流速剖面儀計算規(guī)則，微斷面(可近似看成垂線)深度平均流速式方向分1速垂線平均流速)按下式(3)計算：流速AnsT式中乙為最后一個有效單元的高度;乙為

11、河底至第一個有效單元的高度；h為測速垂線水深，n為單元長度;為單元，中所測的多向流速分量,相當(dāng)于流速儀測速垂線上“測點流速為經(jīng)驗常數(shù),通常取0.1667OADP測流軟件根據(jù)測流過程中實測數(shù)據(jù)確定Zi,Z2,H0m等參數(shù)，唯有皋函數(shù)指數(shù)方是假設(shè)值。ADP設(shè)置文件中將蒂函數(shù)指數(shù)b值取為為常(b)數(shù)原因：一是黑龍江干流水文站的測驗河段無相關(guān)資料，幕指數(shù)6不能確定；二是根據(jù)理論上明渠指數(shù)流速垂向分布曲線形狀，推薦假設(shè)。為常數(shù),主要出于斷面垂向流速分布的平均情況來考慮的。河流流量測驗規(guī)范(50179-93)中，推薦5=0.11-0.20；測站如無實測資料概化或準(zhǔn)確得出幕函數(shù)指數(shù)5值，也可采用8=0.16

12、67用于聲學(xué)多普勒流速剖面儀測流參數(shù)設(shè)置。表層有冰花冰孔的流速曲線與表層無冰花冰孔的流速曲線理論分布是不一致的，其主要原因是由于冰花和冰厚的摩阻系數(shù)不同，以及冰花空間分布所引起的。經(jīng)過比測試驗確定有冰花的冰孔表層流速插補器函數(shù)指數(shù)b值為0.30-0.40之間，主要取于冰花空間分布的厚度和密度大小來具體確定。4.2垂線流速分布對比相同垂線下的ADP流速儀與旋漿式流速儀實測垂線流速分布對比見圖3,表lo2009年3月14日起點距為250m處帶有冰花的冰孔處水深為3.84m,冰厚1.40m,冰花厚為6(C)圖32009年3月14日起點距250m處垂堤流速分布圖表1ADP和旋漿式流速儀垂線平均流速比測

13、分析表ll/m水深/m冰厚/m流速儀三點法平均流速/mL流速儀十一點法平均流速/mgTADP平均流速/ms'903.630.400.620.650.631203.871.050.460.450.471503.721.200.340.330.351803.771.350.270.280.300.20mo圖3(a)為ADP實測流速分布，表層采皋函數(shù)指數(shù)6=0.16667值插補模型，平均流速為0.40m/s；圖3(b)為ADP實測流速分布，表層采幕(下轉(zhuǎn)第15頁)m3/s),泄洪洞放300m7s,溢洪道6孔全開。4第二泄洪洞參與泄洪后的調(diào)洪結(jié)果比較起調(diào)水位采用現(xiàn)行的主汛期限制水位129.00

14、m,按第二泄洪洞分別承擔(dān)100,200和300m3/s的泄流量進(jìn)行調(diào)洪計算，各頻率設(shè)計洪水的調(diào)洪結(jié)果及原洪水位列于表1。表1各頻率設(shè)計洪水的調(diào)洪結(jié)果洪水直湖/溢洪道臆/水位差現(xiàn)運用/m辰大下泄疝/n?*$增100新調(diào)洪水位/m(129.00m起調(diào))增200耿泄蜀增300聚大泄量10000年137.894810】37.784860137.644860137.494870孔數(shù)/水位差660.1160.2560.401000年136.023780135.813630135.643135.483780孔故/水位差660.2160.3860.54100134.822150134.803510134.63

15、2310134.542380孔數(shù)/術(shù)位差660.0240.1940.285評134.682130134201640134.151830134.12600孔數(shù)/水位差420.4820.530.5620年134.201140133.18400132.75SOO132.33600孔數(shù)/水位差21.021.45187從表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著第二泄洪洞泄流量的增加，各頻率設(shè)計洪水調(diào)洪水位較現(xiàn)運用洪水位均有所降低，最大降幅1.87m,出現(xiàn)在20年一遇設(shè)計洪水；最小降幅0.11m,出現(xiàn)在10000年一遇設(shè)計洪水，說明第二泄洪洞對頻率較高的設(shè)計洪水影響較小，對頻率較低的設(shè)計洪水影響較大。從100年設(shè)計洪水調(diào)洪

16、結(jié)果看，當(dāng)?shù)诙购槎葱沽髁砍^200m7s時，溢洪道僅開啟4孔，而現(xiàn)運用情況下需開啟6孔。從50年一遇設(shè)計洪水調(diào)洪結(jié)果看，溢洪道只開啟2孔，并且最高洪水位均低于搬遷水位，而現(xiàn)運用情況下需開啟4孔。從20年一遇設(shè)計洪水調(diào)洪結(jié)果看,溢洪道不需泄洪,并且最高洪水位均未超過淹沒水位，而現(xiàn)運用情況下需開啟2孔泄洪，減少下泄流量50。1000m7s，起到了水庫調(diào)洪錯峰的重要作用。不同頻率設(shè)計洪水的最高洪水位均高于興利水位131.00m,說明在保證防洪安全的前提下，也保證了興利蓄水，實現(xiàn)防洪與興利的兼顧和統(tǒng)一。根據(jù)以上調(diào)洪和分析結(jié)果確定，第二泄洪洞對1000年以上設(shè)計洪水的調(diào)蓄作用較小，對100年以下設(shè)計洪

17、水的調(diào)蓄作用巨大，不但可以降低不同頻率洪水的最高洪水位，而且可以減少溢洪道開孔數(shù)量，對下游河道堤防安全和減少上游淹沒范圍都將起到重要的保障作用，減災(zāi)效果明顯，經(jīng)濟和社會效益顯著，所以，開發(fā)第二泄洪洞非常重要,也非常必要。,收稿日期)2009-09-17作者簡介楊明(I960-),男，遼寧省新實人，高級工程師，主要從事水利工程工作。>>»>>»»»»»»»»>»>»»»>»>»>»&#

18、187;»>»»»»»>»>»»»>>»»>»»»»»»>>»>»»»»»>>>>>>>»>»-»»»»>»»»>»>»»>>»»»>>»>»（上接第6頁）函數(shù)指數(shù)6=0.40補模型，平均流速為0.38m/s；圖3(c)為旋漿式流速儀實測垂線流速分布，平均流速為0.37m/so從垂線流速分布和垂線平均流速可以說明麝函數(shù)指數(shù)兄取0.16667時表層插補流速曲線與旋漿式流速儀不一致，與有冰花的理論流速曲線不符；幕函數(shù)指數(shù)E取0.40時表層插補流速曲線與旋漿式流速儀一致，與有冰花的理論流速曲線變化趨勢一致，能夠反映有冰花的冰孔表層流速的自然分布。根據(jù)地理位置、封江形勢、冰花分布初步擬定帶有冰