声学多普勒流速仪在封冻期流量测验关键技术探索.docx

1、文章编号1002-0624(2010)01一0004-03声学多普勒流速仪在封冻期流量测验关键技术探索刘阳明，李加伟，吴高庄（松辽委黑龙江水文水资源勘测局，黑龙江黑河163400）摘要在黑龙江干流卡伦山水文站首次将声学多普勒技术应用到封冻期河流流量测验中，与机械旋浆式流速仪进行了封冻拥流量比测试验。结合实测对应用中遇到的问题，提出针对性的建议和措施，进而提高声学多普勒流速仪在封族期进行流量测睑的精度，并为进一步拓宽该仪器的应用范围提供有利的技术支持。关键词声学多普勒流速仪；封冻期；流量测验中图分类号P335L1近年来，声学多普勒流速仪在畅流期水文测验中已广泛使用，而在封冻期流量测验的应用则受到

2、地域和气候的限制,基本尚未开展。为适应水文现代化要求，减少封冻期流量测验劳动强度，提高测验精度，首次将声学多普勒技术应用到封冻期河流流量测验中。于2007,2008年冬季及2009年春季期间，在黑龙江干流卡伦山水文站进行了ADP与机械旋浆式流速仪封冻期流量比测实验。结合实际操作中遇到的问题以及声学多普勒流量测验规范中未对封冻期流量测验做出规定的方面，提出针对性的建议和措施，进而提高声学多普勒流速仪在封冻期河流的流量测验精度，促进了声学多普勒技术应用范围的拓展。1断面磁方向校正在使用ADP进行冰期流量测验前，需做一次断面磁方向标定，来确定河道流量测验的断面线。如果ADP磁罗经出现问题或在外部磁场

3、干扰下进行ADP标定断面方向时，会影响到ADP流量测验的精度。在测验过程中需使用外带罗经进行断面磁方向校对，误差应小于2。如果磁方向角大于2。,应及时对ADP换能器进行罗盘校正，并按ADP仪器操作手册中的方法对仪器进行罗盘校正。ADP进行断面磁方向标定时，由于ADP方向箭头很小而且还在仪器换能器的下面，这样现场4文献标识码A标定箭头与断面线是否在一直线时，本身就存在不可避免的误差，需标定35次，取其均值作为断面方向数值来减小误差。2ADP单条垂线测验历时分析确定减小ADP流量测验历时并能保证流量测验精度，主要取决于ADP进行单条垂线水深和流速测量时间。通过对只结冰的垂线、既结冰又有冰花的垂线、

4、有两层冰的垂线在20,40,60,80,100,120,150,200s以及300s的时间内测量的水深和流速，分析其在历时最短又能保证水深和流速的稳定性和准确性。（1）测深历时分析。采用每间隔5s测量一次垂线水深，连续累积300s（图1）,测试水流变化和河底河床的稳定性。采用在300s内每间隔5s测量一次垂线平均水深，并连续累积计算平均水深（图2）。实测分析出在最短时间内水深趋于稳定,且接近真实的水深。通过图1,2和可以看出测验历时在30s后垂线平均水深趋于稳定。（2）测速历时分析。采用每间隔5s测量一次垂线平均流速度连续累积300s,测试水流脉动的周期和频率o采用历时300s内每间隔5s测量

5、一次垂线平均流速度,连续累积计算垂线平均流速。通过实测数据分析，测验历时在100s后垂线5.0-名3.53，q°S?SS88?SS8S?SSS时间/s图1垂线实测水深历时分析图E4.2彖4.1J54.0K391uu»iII1_II_III_I_>时间/s图2垂线平均水深累计过程线平均流速实测值趋于稳定，但由于可能受冰孔围周冰厚不均匀、冰花分布不均匀、冰钻车打孔后破坏了垂线的冰厚和冰花的自然分布等因素影响，垂线测验历时还需延长。在120s与300s内计算的垂线平均流速基本相等，最大误差不大于3%,这说明历时120s内实测的垂线平均流速能够反映出当时垂线平均流速情况，满足

6、河流流量测验规范要求。冰期ADP垂线流速和水深的测验历时为120s,如遇到特殊情况，包括河道冰情变化、时间限制、特殊水情等，垂线流速和水深的测验历时不应小于100so3ADP垂线测量时换能器位置的选择及冰花处理ADP进行垂线测量时换能器的入水深度和所在冰孔冰厚的位置对实测垂线平均流速有直接的影响。为此在现场进行了多次比测实验。ADP换能器发射声波信号的部件沿主轴向外侧倾斜25°,当ADP的换能器放在水面与冰底部之间时，换能器发射的声波反射回ADP换能器。接收过程中受到冰厚的影响，声波发生了变化，不能够接收到有效信号，严重影响了实测水深和流速的有效性，因此应将ADP换能器放到冰底部51

7、5cm处，从所测得的流速相对稳定，与机械流速仪测量值相对接近。遇到有冰花的冰孔，当ADP换能器放在冰底，所发出的声波通过冰水混合时,改变了声波的波长，使ADP换能器不能接到原波长的声波，故将无法测到水深流速，应将声学多普勒流速仪放到冰花以下515cm处。对于有2层冰的冰孔,应将ADP换能器应放到二层冰下10cm处。ADP探头放在距冰底距离较近时，探头附近周围的冰厚有可能高于探头底部。ADP在实测过程中，第一个受噪音影响的速度点的速度值小于，等于零，这样使顶部插补的曲线为零值的直线，测得的垂线平均流速也为。因此探头应放在冰孔底部以下10cm处。换能器放到冰孔的冰花下面，与实际旋浆式流速仪的实测结

8、果是相同的。应将ADP探头放在第三点流速的下面，不然就会出现有效水深变大，拟合的垂线流速曲线与实际情况不符，垂线平均流速变小。4概化外延垂线流速分布暴指数计算方法4.1概化垂线流速分布慕指数模型ADP使用RiverSurveyor软件采集垂线120s数据，并将数据储存到一个独立的测量文件中，并以每0.25m为一个采样单元对速度剖面进行垂直积分，对每个采样单元进行平均，得到垂线的平均流速。ADP在进行垂线测量过程中，实际测量的区域为断面的中部区域（中层），这个区域称为ADP实测区。而在垂线上下两个边缘区域内,ADP由于受方法及现有技术的限制，不能提供测量数据或有效测量数据，因此存在上下两个盲区。

9、第一个区域是靠近水面（表层）的盲区，由于换能器由发射状态转换为接收状态时，需要一个时段，而在该时段内，换能器附近水域的反射信号已经返回，换能器来不及接收这些信息，且由于受冰层的漫反射影响而造成噪声较大，声波检测失真，因此形成了表层盲区，其厚度大约为从冰底到换能器底部及垂线第一个单元厚度之和，约为35cmo第二个区域是靠近河底（底层）的盲区，称为“旁瓣区”（河底对声束的干扰区）。由于受河底漫反射影响而造成噪声较大，声波检测失真,盲区厚度取决于ADP声束角，即换能器与ADP轴线的夹角。两部分盲区其流速需要通过实测区数据外延来估算，均采用概化垂线流速分布蒂指数模型插补盲区流速曲线分布。根据不同水位级

10、精测法测点流速资料，采用概化指数流速分布公式求得:与=卜可式中"一某相对水深7?处的测点流速;垂线上最大测点流速,一般用垂线有效水深0.5位置点流速代替;7?相对水深，为Z/H,Z为测点离河底距离,H为水深(由河底起算)；幕函数指数。根据式(1)可确定幕指数6：1叫=10+6厨(2)将实测垂线点流速和对应的相对水深7?点绘在双对数坐标上，采用嘉指数公式拟合直线的斜率，即为居值，可用Excel宿函数取双对数拟合,截距为IgTJ。按声学多普勒流速剖面仪计算规则，微断面(可近似看成垂线)深度平均流速式方向分1速垂线平均流速)按下式(3)计算：流速AnsT式中乙为最后一个有效单元的高度;乙为

11、河底至第一个有效单元的高度；h为测速垂线水深，n为单元长度;为单元，中所测的多向流速分量,相当于流速仪测速垂线上“测点流速为经验常数,通常取0.1667OADP测流软件根据测流过程中实测数据确定Zi,Z2,H0m等参数，唯有皋函数指数方是假设值。ADP设置文件中将蒂函数指数b值取为为常(b)数原因：一是黑龙江干流水文站的测验河段无相关资料，幕指数6不能确定；二是根据理论上明渠指数流速垂向分布曲线形状，推荐假设。为常数,主要出于断面垂向流速分布的平均情况来考虑的。河流流量测验规范(50179-93)中，推荐5=0.11-0.20；测站如无实测资料概化或准确得出幕函数指数5值，也可采用8=0.16

12、67用于声学多普勒流速剖面仪测流参数设置。表层有冰花冰孔的流速曲线与表层无冰花冰孔的流速曲线理论分布是不一致的，其主要原因是由于冰花和冰厚的摩阻系数不同，以及冰花空间分布所引起的。经过比测试验确定有冰花的冰孔表层流速插补器函数指数b值为0.30-0.40之间，主要取于冰花空间分布的厚度和密度大小来具体确定。4.2垂线流速分布对比相同垂线下的ADP流速仪与旋浆式流速仪实测垂线流速分布对比见图3,表lo2009年3月14日起点距为250m处带有冰花的冰孔处水深为3.84m,冰厚1.40m,冰花厚为6(C)图32009年3月14日起点距250m处垂堤流速分布图表1ADP和旋浆式流速仪垂线平均流速比测

13、分析表ll/m水深/m冰厚/m流速仪三点法平均流速/mL流速仪十一点法平均流速/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图3(a)为ADP实测流速分布，表层采皋函数指数6=0.16667值插补模型，平均流速为0.40m/s；图3(b)为ADP实测流速分布，表层采幕(下转第15页)m3/s),泄洪洞放300m7s,溢洪道6孔全开。4第二泄洪洞参与泄洪后的调洪结果比较起调水位采用现行的主汛期限制水位129.00

14、m,按第二泄洪洞分别承担100,200和300m3/s的泄流量进行调洪计算，各频率设计洪水的调洪结果及原洪水位列于表1。表1各频率设计洪水的调洪结果洪水直湖/溢洪道臆/水位差现运用/m辰大下泄疝/n?*$增100新调洪水位/m(129.00m起调)增200耿泄蜀增300聚大泄量10000年137.894810】37.784860137.644860137.494870孔数/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孔数/术位差660.0240.1940.285评134.682130134201640134.151830134.12600孔数/水位差420.4820.530.5620年134.201140133.18400132.75SOO132.33600孔数/水位差21.021.45187从表1数据可以看出，随着第二泄洪洞泄流量的增加，各频率设计洪水调洪水位较现运用洪水位均有所降低，最大降幅1.87m,出现在20年一遇设计洪水；最小降幅0.11m,出现在10000年一遇设计洪水，说明第二泄洪洞对频率较高的设计洪水影响较小，对频率较低的设计洪水影响较大。从100年设计洪水调洪

16、结果看，当第二泄洪洞泄流量超过200m7s时，溢洪道仅开启4孔，而现运用情况下需开启6孔。从50年一遇设计洪水调洪结果看，溢洪道只开启2孔，并且最高洪水位均低于搬迁水位，而现运用情况下需开启4孔。从20年一遇设计洪水调洪结果看,溢洪道不需泄洪,并且最高洪水位均未超过淹没水位，而现运用情况下需开启2孔泄洪，减少下泄流量50。1000m7s，起到了水库调洪错峰的重要作用。不同频率设计洪水的最高洪水位均高于兴利水位131.00m,说明在保证防洪安全的前提下，也保证了兴利蓄水，实现防洪与兴利的兼顾和统一。根据以上调洪和分析结果确定，第二泄洪洞对1000年以上设计洪水的调蓄作用较小，对100年以下设计洪

17、水的调蓄作用巨大，不但可以降低不同频率洪水的最高洪水位，而且可以减少溢洪道开孔数量，对下游河道堤防安全和减少上游淹没范围都将起到重要的保障作用，减灾效果明显，经济和社会效益显著，所以，开发第二泄洪洞非常重要,也非常必要。,收稿日期)2009-09-17作者简介杨明(I960-),男，辽宁省新实人，高级工程师，主要从事水利工程工作。>>»>>»»»»»»»»>»>»»»>»>»>»&#

18、187;»>»»»»»>»>»»»>>»»>»»»»»»>>»>»»»»»>>>>>>>»>»-»»»»>»»»>»>»»>>»»»>>»>»（上接第6页）函数指数6=0.40补模型，平均流速为0.38m/s；图3(c)为旋浆式流速仪实测垂线流速分布，平均流速为0.37m/so从垂线流速分布和垂线平均流速可以说明麝函数指数兄取0.16667时表层插补流速曲线与旋浆式流速仪不一致，与有冰花的理论流速曲线不符；幕函数指数E取0.40时表层插补流速曲线与旋浆式流速仪一致，与有冰花的理论流速曲线变化趋势一致，能够反映有冰花的冰孔表层流速的自然分布。根据地理位置、封江形势、冰花分布初步拟定带有冰