声学多普勒流速仪在浙江水文中的应用.docx

1、第30卷第1期2010年2月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGYVol.30No.Feb.,2010声学多普勒流速仪在浙江水文中的应用张裕海（浙江省水文局，浙江杭州310009）摘要：本文介绍了声学多普勒流速仪在浙江省水丈系统中的应用情况。声学多普勒测验技术解决了钱塘江河口感潮地区流量测脸的难题，在平原河网应用的穗定性也得到验证，时于无穗定水位沆量关系的测站也提供了解决方案，但也存在一些应用上的限制。关键词：声学多普勒流速仪；浙江；水史；应用中图分类号：P335文献标识码：A文章编号:1000-0852（2010）01-0051-051引言浙江省位于我国东南沿海，属于亚热带季风气

2、候区，陆域面积10.18万km省境地势呈西南高、东北低、自西南向东北逐级俯斜的特点。全省地形可分为浙北平原区、浙西中山丘陵区、浙东盆地低山区、浙中丘陵盆地区、浙南中山区、沿海丘陵平原区六个区。其中山丘区面积7.17万km?,平原、盆地面积2.36万kn?,河流、湖泊面积0.65万km?,分别占70.4%,23.2%.6.4%。故有“七山一水二分田”之称。浙江省内河流众多，集水面积在10km2以上的河流多达2442条，其中集水面积在1500km2以上且独立入海（湖）者有7条，按河流大小，依次为：钱塘江、瓯江、椒江、甬江、苕溪、飞云江、鳌江。除钱塘江发源于安徽省外，其余河流均发源于省内，除苕溪人太

3、湖外，其余河流均1*接入海。独流入海，上游坡陡流急，下游感潮是浙江河流的主要特点，因此，河口水文测验是浙江水文的-项重要内容；浙北平原地势平坦，河流众多，纵横交错，水系流向复杂，水文测验方式具有不同于一般河道测羚的独特性；近年来，随着社会经济的快速发展，水库、堰闸、堤防等涉水工程建设规模和范围不断扩大，天然河流水文情势发生很大变化，水文测验工作面临许多新的课聘。河口、平原水网和涉水工程河段断面无稳定的水位流址关系，采用传统的流速仪测髭难以推算河道径流帔，必须实施断而流破全过程监测。因而，采用声学多普勒技术实施断面流段实时全过程监测成为首选的瞽代手段。2声学多普勒测流原理AcousticDopp

4、lerCurrentProfilers简称ADCP,国内常译为声学多普勒流速剖面仪，它一般配有四个（或三个）换能器，换能器与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器即是发射器也是接收器。换能器发射的声波具有指向性。换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物散射回来的声波。一般认定颗粒物的运动速度与水体流速相同，当颗粒物的运动方向是接近换能器时，换能器聆听到的何波频率比发射波频率高；当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率低。声学多普勒频移，即回波频率与发射波频率之差，由下式确定：&2F?（1）式中：为声学多普勒频移/为发射波频率；y为颗粒物沿声速方向的移

5、动速度；c为声波在水中的传播速度。ADCP每个声速轴线即为一个声束坐标。每个换能器测验的流速是水流沿其声束坐标方向的流速分最。任意三个声束轴线组成一组相互独立的空间声束坐标系。另外，ADCP自身定义有直角坐标系:x-y-zoz方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿某一声束坐标的流速分蚯，然后利用声束坐标与坐标之间的变换关系（取决于声束布）将声束坐标系下的流速分M转换为-r-z坐标系下的流速分最，再利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据将x-y-z坐标系下的流速分量转换为地球坐标系下的流速分量。3应用概况随着声学多普勒测流技术的日臻成熟，ADCP尺寸和重最大大减小，价格也大大降低，在国内得

6、到日益普遍地应用，并取得了良好的效果。浙江省在国内属于经济较发达省份，国民经济的迅速发展，从社会需求和水文投入两方面都对水文测验设备收稿日期：2009-02-02作者简介：张裕海（】954-）.男.山东微山人.大学本科.学士.高级T.程师，主要从事水文测验、水文资料整编、水文遥测技术研究和管理，的更新提供了机遇和条件。为了满足浙江省不同类型河道测流的适用性和现代化流量仪器选型的需要，我们在2000年初将声学多普勒流速仪作为改变落后测流设备的首选仪器。选用声学多普勒流速仪测流，一是基于该技术在当今世界上流域测驶新技术中具有代表性，具有实时全过程监测、在线远传、计算机联机运算和成果打印存储等传统测

7、流方法难以实现的功能，极大地提高了测流效率和时效性，避免人为因素造成的数据差错，减轻了水文工作者的劳动强度；更为重要的是该技术解决了传统技术无法实现的我省部分河段测脸雄题，从而更好地为浙江省防汛预报和水资源分析计算提供了技术支持。4典型测站介绍在此，我们选取浙江省具有代表性的三个典型水文测站进行介绍，分别为：之江水文站、青阳汇水文站和瓶窑水文站。4.1之江水文站之江水文站位于钱塘江河口地区，是感潮站，集水面积41800km2,是钱塘江入海水充的控制站。之江水文站典型的时间水位、时间流信过程如图1所示。该站曾经采用动船法测图1之江水文站典型的时间水位、时间流脉曲线Fig.1Thetypicalc

8、urvesoftime-waterlevelandtime-dischargefromZhijianghydrologicalstation流，但由于钱塘江特殊的地形，受河口区涌潮影响，流速变化较快及江中通航船舶来往频繁的影响等，给测船沿断面线行驶及抛锚作业造成较大困难，测验精度难以满足水文测验规范的要求。2007年该站装备美国维塞仪器公司生产的频率为500kHz的岸式多普勒流速仪Argonaut-SL两台，走航式多普勒测流系统RiverCat（中文名：河猫）两套，频率为lMHz、1.5MHz的各一套。采用指标流速关系法测流，即在岸式多普勒流速仪Arg.onaut-SL施测（测出指标流速）的同

9、时，用走航式多普勒测流系统RiverCat进行率定，确定两者间的相关关系Vf（"）,（式中：V&为指标流速；七为RiverCat测得的同步流速），然后用指标流速进行推流计算。为了得到断面平均流速与指标流速间的关系，用RiverCat测出的流量除以水位面积曲线上查得的面积，得到断面时段平均流速数据c=Q/4,（式中：七为断面时段平均流速，Qc为RiveiC砒测得的流量数据/为断面面积）。具体计算方法：如2008年6月10022点40分至23点25分用走航式多普勒-河猫沿之江水文站测流断面走航两个测回，得出流M（h760ms/s,根据该时间段的相应水位6.47m查出断面面积4=7

10、600m2,流配除以面积得到断面平均流速V=0.89m/s,然后对岸式声学多普勒测流仪在该时间段内的流速数据进行平均，得到一个指标流速Vs.=0.81m/8,在各个不同水位和流信条件下进行流最测验，并进行以上计算，就可以得到一组断面平均流速与指标流速的数据，对这一组数据进行回归分析（采用最小二乘法），得到一个指标流速关系，如图2所示。通过此关系曲线计算断面的平均流速，再乘以断面面积，从而算得各时段流量。加权平均后流速(m/s)图2之江水文站指标流速关系曲线Fig.2Thecurvesofindex-velocityfromZhijianghydrologicalstation加权平均后流速(m

11、/s)图2之江水文站指标流速关系曲线Fig.2Thecurvesofindex-velocityfromZhijianghydrologicalstation«至)弟射敦u-'e再通过各种不同水位和涨落潮址情况下的比测，该站初步得到了指标流速关系，并确定了按权计算流址的方法，相关系数为0.9984,三种检验均通过，随机不确定度为13.2%,达到了规范的要求。由于钱塘江潮水的特殊性，钱塘江的入海流魅历年都是根据富春江电站出库流锻和分水江水文站的年径流资料按照一定比例通过水文计算推算出来的，缺少实测数据，难免存在误差，真实性不强。采用声学多普勒测流仪后，使得实测钱塘江流量资料变为

12、了现实，实现了钱塘江流域的年入海径流最控制，从而为钱塘江河口的科学规划和治理，流域防汛调度，监测河口水质污染物输送量和保证杭州市的供水安全，有效保护和利用钱塘江河口水资源等提供了基础资料。4.2青阳汇水文站育阳汇水文站位于杭嘉湖东部平原感潮河段，是杭嘉湖东部平原入黄浦江的主要控制站之一，控制匕海塘年潮流量的吞吐情况，2007年列入太湖局与浙江省共建共管水文站。青阳汇水文站典型的时间水位、时间流质过程如图3所示。青阳汇水文站测验河段顺直，长约3.5km,测流断面规则、稳定，常水位时河宽73.5m,平均潮差0.52m,平均潮流量135nP/s,平均涨潮流历时4小时10分，落潮流历时8小时15分，是

13、典型的半日混合型潮.该站2003年10月安装频率为1.5MHz的Argonaut-SL,通过流速仪法测流比测后投入使用。2005年8月711日，用机械式流速仪采用多线多点精测法进行了连续8个潮期的全潮流测验，比较系统地将声学多普勒流速仪测独的潮流址、潮流历时.潮伊资料与机械式流速仪进行了对比分析C全潮流测验点涨潮流为47次、落潮流为106次，全部参加相关线检验。由流速仪法实测断而平均流量和多普勒测流仪计算的断面平均流最进行比较。并严格按水文资料整编规范要求进行精度分析、标准差计算及符号检验、适线检验和偏离数值检验，分析成果见表1。结果表明：率定线检验统计量均小于临界值，三种检验通过。表1涨、落

14、潮的潮流相关线三种检或及误差评定表Tabel1Threewaysofexaminationandeirorevaluationofrisingtideandebbtideflowraterelatedline临界值涨潮流47次落湖流106次统计址评定统计扯评定符号检验1.150.122通过1.07通过适线检验1.280.147通过-0.976通过偏烈数值检验1.300.391通过0.539通过测点标准差0.7485.44系统误差-U+IJ-0.66通过-0.283通过州M拾W±8%占总数80.9%占总数86.8%<±10%占总数89.4%占总数91.2%4.3瓶窑水文

15、站瓶窑水文站是东苕溪的主要控制站，集水面积1420km2,其断面上下游分别受青山水库、南北湖滞洪区、德清大闸、上牵埠船闸及周围的瓶窑、塘栖、临平三个水厂取水曰等多种因素影响，水位流鱼关系复杂，一直以来采用连时序法进行流最资料整编，用实测流量过程线进行年径流域推流，年测流次数一般在500次以上，测验任务相当繁重。2006年，该站采用底置式声学多普勒流速仪测流，并与传统的机械式流速仪进行了比测，比测结果见图4所示，图中V多表示声学多普勒流速仪所测流速,V第表示断面平均流速。00.5Vc(m/s)00.5Vc(m/s)系列1线性（系列1）由表1可知，涨潮流在全部测次47中，有80.9%的测次误差在&

16、#177;8%以内，有89.4%的测次误差在±10%以内；落潮流在全部测次】06中，有86.8%的测次误差在±8%以内，有91.2%的测次误差在±10%以内。相关线潮流域资料达到水文资料整编规范国家-类水文站的精度要求。声学多普勒流速仪在平原感潮河段和平原河网区的水文测驶中，在具有正逆向流速且水位值变幅不大的断面测量，充分显示r该仪器的适应性和先进性。口前在嘉兴市境内的平原河网和潮流量测验中，已基本普及应用了声学多普勒测流仪技术.为掌握平原河网地区的各河道进出水段，分析平原地区的地表水的运动规律，合理升发水资源、进而为太湖流域的综合治理规划提供可靠技术支撑。潮水位

17、过程线日9月8月期2005年8月7-11日潮流量过程线图3青阳汇水文站典型的水位时间、水位流依过程Fig.3lietypicalcurvesofwaterlevel-timeandwaterlevel-dischargefromQingyanghuiHydrologicalStation图4瓶窑水文站V.与回归关系图Fig.4RegressiononrelationsbetweenV*andV«fromPinyaohydrologicalstatoin在瓶帘水文站利用戊学多普勒流速仪测驶的流速数据在精确度和准确度上都有比较好的表现，具备指标代表性，可以使用相关公式把实时的声学多普勒流

18、速仪指标流速数据计算为断面平均流速，不但大大减轻了测站人员的工作强度，也提高了洪水要素测验的实肘性,为流域洪水预报和防汛指挥调度增加了预见期。5运用声学多普勒实现流量远程实时监测全程在线实时测流是声学多普勒的一个突出功能。为此，我省开发建设了“浙江省河道流域自动监测网”系统，系统利用测站RTU终端、GPRS和网络技术，并开发相应的通信和运算软件，通过已建的省级防汛通信平台，实现了部分测流精度较好的站点的流俄数据实时远传，口前已接入浙北平原的】6个站点的流信信息，随着声学多普勒设备的进一步推广普及和流成成果的率定，今后将逐步在全省推开。系统部分页面如图5、图6所示。6结语声学多普勒测流仪作为一种

19、新型的水文测验仪器，目前在浙江得到了较为普遍的应用，作为传统测验方式的补充和替代，不但提高了流量资料的完整性和可怠性，减轻r劳动强度，提高了测流成果的时效性，还解决了复杂断面的测流难题，使水文测量的领域和范围得以拓展，为摸清不同河流的水流态势，掌握全省水资源总坦，进而为水资源的合理开发利用提供水文技术支持。当前，我省诸多河段受水利工程等人类活动影响，水文测验环境改变.中低水无法采用关系线推流，推广采用声学多普勒测图5浙江省河道流就自动监测网苜页裁图Fig.5SectionaldrawingofthehomepageoftheautomaticmonitoringnetonZhejiang

20、9;sriverflowrate翌苣4费厘2009-06-22170357200906-23035357图6浙江省河道流18自动监测网实时流量裁图Fig.6SectionaldrawingofrealtimeflowratefromtheautomaticmonitoringnetonZhejiang'sriverflowrate流仪不失为一个解决途径。在省内推广使用多普勒测流仪的过程中，我们认为声学多普勒流速仪的应用上还有其局限性，岸式多普勒在水位变幅较大的河段，尤其是对于暴涨暴落的山溪性河流.由于受断面垂直流速分布和断面河宽的变化影响，其指标流速的测速质点失去了代表性，引起数值失真

21、。如何寻求不同河段的指标流速与水位涨落之间的规律关系，在理论和实践E还有待研究。我们曾采用升降岸式多普勒的方法使之保持在一定水深比例的位置，取得了一定的效果，但操作起来比较麻烦，对河宽变幅较大的河段仍存在数值偏差。此外，对一些漂浮物和航运繁忙的河段测址流速也应合理捕捉时机，对成果进行人工靠别过滤。因此.对声学多普勒流速仪的应用推广还需在理论上和实际应用中不断进行研究探索，使其更好地服务于水文现代化事业。参考文献：(1 SL337-2OO6.声学多普勒流抵测弟规范IS.(SL337-2006,CodeforDischargeMeasurementofAcousticDopplerCurrentS

22、.(inChinese)GB5O179-93，河流流般测较规范S).(GB50179-93,CodeforLiquidFlowMeasurmentinOpenChannels.S(inChinese)|31SL247-1999.水文资料整编规范IS1.(SI247-1999.CodeforHydro-第1期logicDataCompilutionSJ.(inChinese)4|张照余.声学多普勒测流仪在平原感潮河段中的测验稳定性验证J.浙江水利科技，2006,148(6):47-49.(ZHANCZhao-yu.ApplicationofDopplerAcousticFlowMeasuring

23、DevicetotidalreachinplainareaJ.ZhejiangHydrolechnics,2006.148：47-49.(inChinese)5J杜丽云.多普勒测流仪在瓶窑站的应用分析几浙江水利水电专科学校学报,2007,19(1):56-58.(DULi-yun.ApplicationofADCPFlowMeasuringDeviceinPingyaomonitoringstatoinJ.JournalofZhejiangWaterConservancyandHydropowerCc>llcge,2007,19(1):56-58.(inChinese)|6浙江省水文志编

24、纂委员会.浙江省水文志M.北京:中华书2000.(CommitteeofHydrologicalChroniclesofZhejiangProvince.Hydrological55ChroniclesofZhejiangProvinceM.Beijing:ChinesePublishingHouse,20CX).(inChinese)7J田淳.刘少华.声学多普勒测流原理及其应用MJ.郑州：黄河水利出版社2003：181-182.(TIANChun,DUShao-hua.TheWorkingPrincipleoftheAcousticDopplerCurrentProfileranditsAp

25、plicationsM.Zhengzhou:YellowRiverConservancyPrrss»2003:181-182.(inChinese)|8陈典林，赵德友，卢玉成.Argonaut-SL声学多普勒流扯实时监测系统设计应用与研究UL水利水电快报，2003.增刊.(CHENXi-lin,ZHAODe-you.LUYu-cheng.HieapplicationandinvestigationofArgonaut-SLADCPreal-timemonitoringsystemfordischargeJ.Expre&sWaterResources&Hydropowe

26、rInfonnalion,2003.supplementaryissue,(inChinese)ApplicationoftheAcousticDopplerCurrentProfilerinHydrometryinZhejiangProvinceZHANGYu-hai(HydrologyBureauofZhejiangProvince,Hangzhou310009,China)Abstract：ThispaperanalyzedtheapplicationoftheacousticDopplercurrentprofiler(ADCP)inhydrometryinZhejiangProvin

27、ce.ThetechnologynotonlysolvestheproblemofdischaiemeasurementsatQiantangEstuary,butalsovalidatesthestabilityintheapplicationsofplainrivernetwork.Meanwhile,itprovidesthesolutionsforthehydrometrystation.whichisnotsteadybetweenwaterlevelanddischarge.However,thereexiststhelimitationinsomeapplicationofthe

28、technologyofdischargemeasurementbyADCP.Keywords:AcousticDopplerCurrentProfiler；Zhejiang；hydrology;application(上接第50页)Shanghai:ShanghaiScientific&TechnicalPublishers,1988.(inChinese)14王西琴，刘昌明，播志峰.生态及环境需水址研究进履与前瞻J.水科学进展,2002,13(4):507512.(WANGXi-qin.LIUChang-ming.YANGZhi-feng.Researchadvanceinecol

29、晒calwaterdemandandenvironmentalwaterdenuindJj.AdvanceinWaterScience,2002,13(4):507一512.(inChinese)(5J姜景玲，范晓秋.城市生态环境需水续的计算方法J.河海大学学报(自然科学版),2004,1(1):14-17.(JIANGCui-Ung,FANXiao-qiu.Calculationmethodforurtianeco-environmentwaterdemandJJJournalofHohaiUniversity(NaturalSciences),2004,1(1):1417.(inChine

30、se)6逢勇，程坊，赵玉择.略地水库文官至石角段水环境容址研究J.河海大学学报(自然科学版),2003,31(1):7679.(PANGYong.CHENGWei»ZHAOYu-ping.CalculationofwaterenvironmentcapacityforWen-guantoShijiaosectionofHediRcstervoir|J|JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences),2003,31(1):7679.(inChinese)ModelingofWaterResourcesCarryingCapacityinSuzhouCityCHENGLi,WANGDe-guan(CenterofHydraulicsandFluidDynamics,CollegeofMaterialSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing21009,China)Abstract:Basedonthec