声学多普勒流速剖面仪在水文站中的应用.docx

1、文章编号1002-0624(2010)02-0022-02声学多普勒流速剖面仪在水文站中的应用郑念发，邹晓天，高宇峰，李迎春(吉林省水文水资源局吉林分局，吉林吉林市132013)摘要文章介绍了声学多普勒流速割面仪流量测验原理。通过其在吉林水文站中的实际应用，总姑了该仪器在使用中及维护保养中需注意的事项。通过该方法与流速仪法比刑，得出该方法在实际工作中的优越性能。关键词流量测脍；声学多普勤流速剖面仪；吉林水文站中图分类号TV123文献标识码B传统的河流流量测验仪器主要采用的是流速仪，故称为流速仪法。流速仪法广泛应用于人工船测，桥测，缆道，涉水测量等。这种传统的测验方式费工，费时，效率低。用声学多

2、普勒流速剖面仪进行河流流量测验，是近十几年才发展起来并得到越来越多应用的新的流量测验方法。声学多普勒流速剖面仪流量测验方法的发明，被认为是河流流量测验领域的一次革命。当装备有声学多普勒流速剖面仪的测船从测流断面一侧航行至另一侧时，声学多普勒流速剖面仪即刻测出河流流速分布并算出流景。它比传统的河流流量测验方法提高效率几十倍。它的应用标志着河流流量测验的现代化。声学多普勒流速剖面仪分为走航式声学多普勒流速剖面仪和固定式声学多普勒流速剖面仪。1流量测验原理从理论上讲，声学多普勒流速剖面仪流量测验原理与传统流速仪法相同。声学多普勒流速剖面仪方法和传统流速仪法都将测流断面分成若干子断面，在每个子断面内垂

3、线上一点或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量。再将各个子断面的流量叠加得到整个断面的流量。然而，与传统流速仪相比，声学多普勒流速剖面仪方法有如下不同：(1) 传统流速仪法是静态方法，流速仪是固定在测点的，声学多普勒流速剖面仪方法是动态方法，声学多普勒流速剖面仪在随测船运动过程中进行测验。(2) 应用传统流速仪法时，由于采样费时，通常不可能将子断面划分的很细，垂线流速测量点也不可能很多。而应用声学多普勒流速剖面仪时，由于声学多普勒流速剖面仪采样速率很高，可以将子断面划分的很细，垂线流速测量点也可以很多。(3) 传统流速仪法要求测流断面垂直于河岸。声学多普勒流速剖面仪方法不要求测

4、流断面垂直于河岸。测船航行的轨迹可以是斜线或曲线。(4) 为了计算流量，声学多普勒流速剖面仪在走航中测量如下数据： 相对流速(由水跟踪测出)。 船速(由底跟踪测出，或由GPS算出)。 水深(由河底回波强度测出，类似于回声测深仪)。 测船航行轨迹(由船速和计时数据算出，或由GPS测出)。在进行断面流,测验过程中，声学多普勒流速剖面仪实际测的区域为断面的中部区域，这个区域称为声学多普勒流速剖面仪实测区。而在4个边缘区域内声学多普勒流速剖面仪不能提供测2010年第2期员数据或有效测量数据。第一个区域靠近水面(表层)，其厚度大约为声学多普勒流速剖面仪换能器入水深度，声学多普勒流速剖面仪盲区，以及单元尺

5、寸一半之和。第二个区域靠近河底，称为旁瓣区。其厚度取决于声学多普勒流速剖面仪声束角。例如对于声束角为20度的声学多普勒流速剖面仪，相应的旁瓣区厚度大约为水深的6%。第3和第4个区域为靠近两侧河岸的区域，因其水深较浅，测量船不能靠近或者声学多普勒流速剖面仪不能保证在垂线上至少有一个或两个有效测置单元。这四个区域通称为非实测区。其流速过流量需通过实测区数据外延来估算。2实际应用2.1吉林水文站基本概况吉林水文站始建于1933年，位于吉林市松江中路，是第二松花江干流控制站，控制流域面积44060kn?,防汛位置十分重要。2.2实际应用中的注意事项吉林水文站在实际应用声学多普勒流速剖面仪的过程中，结合

6、仪器使用说明书，逐步摸索出该仪器的使用性能，及应注意的事项：(1) 船速越慢精度越高，一般船速不超过最大流速。如果想得到最佳的测量结果，测船的速度不要大于河水的流速。需要指出，开始时船头要朝着逆流方向航行，在横越河流断面时再慢慢纠正航向，这样可以保持测船的断面航迹到对岸时的流量数据采集。(2) 测量断面的选择仍然应遵照水文调查规范的要求。(3) 在未知河段测量时，应先预测一次，然后将测得的河床深度、形状及流速大小输入到“设置向导”中，以设置合适的测量参数。(4) 对于岸边声学多普勒流速剖面仪不能测验区域的水面距离，必须采用电子测距仪器，测绳，或者其它能够精确测量距离的仪器。在开始及结束(“有效

7、层数”不小于2层)时测量的岸边，船应稍停留片刻，以便获得用于计算岸边流履的10个平均数据。(5) 认真测读换能器吃水深度、仪器离岸边距离,和岸边坡度系数等数据，并将信息及时传输给水文水资源程序操作人员。(6) 当水深较浅、或漂浮物较多时，应密切观察仪器运行情况，避免采集数据丢失，仪器损坏。(7) 对于流量稳定的河流，至少要进行两个测回(4次)测员，来回各两次。取4次测量的平均值作为实测流量，4次测量值中任一个与平均值之差应小于5%。2.3声学多普勒法与流速仪法比测实验按照“声学多普勒测验规范”的要求和“流速仪法的测验规范”要求同步完成流量测验15次，根据两种不同测验方法的测验结果，经分析得出如

8、下结论：声学多普勒法与流速仪法比测相对误差，13次控制在3%以内，2次控制在5%以内，其测验精度满足GB50179-93(河道流量测验规范规定一类精度的水文站高中低水的总随机不确定为5%,6%,9%的要求。通过对比试验，吉林水文站水位在186,30m左右，流量在320m3/s左右，水面宽在450m左右，流速在0.85m/s时，用流速仪法施测，需要测验人员5人，耗时70min左右；用声学多普勒流速剖面仪施测，只需3人，耗时35min左右，用声学多普勒流速剖面仪法比流速仪法大大节省了人力，节省了时间，提高了流量测验的时效性。另外，流速仪法施测流量，需要设立固定的主索钢架，固定的测验断面，对于水深、

9、流速都有约束，而声学多普勒流速剖面仪法却不受环境限制，水深、流速的测量范围都较宽，可以施测超过20m/s的流速，和最大可达75m的水深，声学多普勒流速剖面仪可以广泛的应用到“特大洪水”和“突发水事件”的应急流量测验，方便、快捷，提高时效性，还可节省大置的人力物力。2.4实际中存在的问题和建议吉林水文站通过一年多时间学习和使用声学多普勒流速剖面仪，在掌握了其流量测验技能同时，也发现了许多问题，主要表现在以下几个方面；(1) 低水时船速难以小于水流速度，但为了了解仪器性能，分别在实验中特将船速高于水流速度23倍。(均匀加速)时所取得的资料的结果表明，还是能达到要求的精度，但必须保证换能器不要露出水

10、面。(2) 在数据回放后，都会自动建立一个新的内(下转第54页)23衰2部分测点爆破撮动系敷计算结果测点位置中部浅孔B点D点说明51号坝段坝脚269.1244.3266.953号廊道出口242.749号坝段下游228.353号坝段坝顶535.4放大效应53号坝段廊道215帷幕K-"2Q。”(2)式中U,Q,R,K意义同上。利用表1中的试验结果，即可计算各测点的振动系数(K值)见表2°表2中，51号坝段坝脚测点在3次爆破中的K值大体相当，与该点高程类似的还有49号坝段下游和53号廊道出口这2个测点，它们的K值与51号坝段坝脚测点也基本相近。53号坝段坝顶测点的K值高达535.

11、4,明显高于其它测值，这也恰好是坝体结构放大效应的体现；而53号坝段廊道测点的K值最小，与其所处高程最低关系密切。以上K值计算结果，也进一步说明爆破振动测试结果的合理可靠。将表2中比较接近的前5个K值进行平均,可得K大坝=250；由于坝顶和坝基廊道测点距离开挖区均较远，保证51号坝段坝脚振速不超过8.0cm/s的单响起爆药量，将不会引起坝顶和坝基廊道的振速超过标准。将K大笫=250代入式(2),可获得抗滑墩基础开挖爆破对大坝的振动影响场公式：0.75V大妒250%(3)R(上接第23页)容与原始相同的配置文件。(3) 流最测验结果没有最大流速、最大水深等重要水文数据。(4) 施测中，偶有单个数

12、据采集不到，可能是换能器瞬间露出水面引起的。(5) 在一次完整流量测验中，虽然流园能满足要求，但各个测回的面积相差很大,可能是每次航迹不同所致，因此需要在断面两岸分别设置标志，54-式中U大组代表大坝的质点振动速度,cm/s；Q,R的意义同上。4结论云峰大坝抗滑墩基础开挖工程紧邻大坝，施工中采取了控制爆破技术，即小孔径、逐排分段爆破的开挖方式。不论是中部浅孔爆破，还是大坝近区岩体开挖，其振动观测结果总体合理，符合一般岩体的爆破振动特点。(1) 振动速度测值显示，爆破施工对大坝及帷幕的振动影响均处于安全允许范围以内，能够满足设计及相关规程规范的要求。(2) 控制爆区开挖的主要对象为云峰大坝，尤其是大坝下游坝脚，在保证下游坝脚质点振速不超过8cm/s的前提下，施工药量基本不受基础帷幕控制。(3) 根据振动影响场公式可以给出不同开挖区间的最大单响起爆药量，对合理、高效施工起到巨大的指导作用。参考文献1GB6722-2003.爆破安全规程S.2中华人民共和国电力行业标准DL/T5333-2005.水电水利工程爆破安全监测规程S.3中华人民共和国行业标准