浅析多普勒流量剖面仪在水文观测中的应用

摘要：文章旨在实现多普勒流量剖面仪在水文观测中的综合应用，通过结合多普勒流量剖面仪的工作原理，以长洲水利枢纽为例，对水文观测的适用性做了分析，结合水流状况，合理的选择硬件配置，实现测量的控制，分析测量的结果，并分析应用中出现的问题，提出了具体的对策。

关键词：多普勒流量剖面仪；水文观测；测量控制；测量结果；长洲水利枢纽 文献标识码：A

中图分类号：P332 文章编号：1009-2374（2016）36-0157-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.36.078

多普勒流量剖面仪主要是测量三维流场的一种剖面图，在海洋监测以及环境保护中有着多方面的应用。借助于声波对水流的速度进行遥测，避免给流场带来干扰，同时航行过程，可以迅速地测量流速剖面。为了进一步探讨多普勒流量剖面仪在水文观测中的应用效果，通过对长江水利枢纽至广东封开县进行实例分析。仪器采用了自动适应不同水深的单一工作模式，在各种不同水深或河床水深变化很大的河道中进行测量，同样可靠而稳定，而且软件的使用非常方便，只需几分钟就可以设置完毕，投入运行，应用于河道流速和流量测验、海洋流场观测、船只和水下载体导航等。本文对此做了深入的研究。

1 长洲水利枢纽坝下至广东封开县概况

长洲水利枢纽是西江黄金水道建设的咽喉要道，自建成运行以来，坝下河床受清水冲刷、河道采砂和航道整治影响，水位下降明显，造成现有一、二线船闸枯水航深不足、通航保证率降低，制约了长洲航运节点的通过能力。为了提高西江干线瓶颈河段的通过能力，满足航运发展的需要，长洲水利枢纽三线、四线两个3000t级船闸工程于2009年12月开工建设，预计2014年底建成通航。西江是珠江主干流，上接滇黔湘，下连粤港澳，是沟通西南地区通江达海的水路运输大通道，是两广交通运输的大动脉。长洲在建三、四线船闸投入运行后将大幅提升长洲枢纽的通过能力，但现有一、二线船闸仍将承担很大一部分货物通行，枯水期仍将面临碍航问题，随着西江黄金水道建设的加快，从根本上解决一、二线船闸枯水航深问题，全面提升长洲枢纽整体能过能力是西江黄金水道建设中迫切需要的。长洲水利枢纽运行以来，受枢纽清水冲刷、下游河段航道整治以及河道挖沙等影响，坝下枯水位下降，现有一、二线船闸通航保证率降低，抑制了船闸通过能力，本次原型观测的目的是为长洲枢纽一、二线船闸通过能力提升关键技术研究提供基础资料，观测长洲枢纽坝下河段新的水沙变化资料以及滩槽相应演变的资料，收集与之相关的其他水力资料。

2 测量控制

2.1 测量原理

多普勒流量剖面仪通过打破机械式的仪器测验过程，结合测验的成果进行联机存储，测验的速度和精度不断提高，同时也有着较强的现代化水平。多普勒流量剖面仪有四个换能器，和轴线形成一定的夹角，不仅可以作为发射器，同时也可以作为接收器。换能器发射的过程，借助于集中的声波处理，同时换能器的发射过程，可以回收颗粒散射回来的声波。声学多普勒流速剖面仪主要由主机、工作电缆和显控软件组成。其工作原理是通过测量设备发射的声学信号经被测水体或海底散射后产生的多普勒频移来估计设备相对于水体或海底的运动速度。与传统设备相比具有能直接测出断面的流速剖面、测量精度高、不干扰被测流场的运动状态等优点，此外由于其在进行流速测量的同时，能够测量设备的相对河底的高度和运动速度，因此通过走航测量可直接估计出被测河道断面的流量。

2.2 多普勒流量剖面仪的测量

2.2.1 测量准备。测图时间为2014年12月～2015年5月中枯水期，结合三、四线船闸下引航道施工情况分两次测量：除长洲枢纽三、四线船闸引航道以及因水浅难以测量区域（浅滩、坝田等），其余范围地形测量在枯水期完成。长洲枢纽三、四线船闸引航道以及枯水期因水浅难以测量的区域（浅滩、坝田等），待三、四线船闸引航道施工完成后的中水期进行补测。

测量范围主要是长洲枢纽至界首滩尾约23km地形观测：测量范围自长洲水利枢纽坝轴线至大元冲口下游1.5km处的界首滩尾，包括长洲枢纽一线至四线船闸轮廓，已建或在建的水工设施的轮廊测量。测图比例为1∶2000，航道整治建筑物附近需要加密测点。对长洲一线至四线船闸、下游引航道区域以及碍航滩段的礁石区域进行必要的1∶500局部地形观测。测量过程中，全河段地形图以高程绘制，基面与水文资料的基面一致；两岸测量范围为测至高堤；丁坝、潜坝、围堤的宽度和高程以及缺口的宽度和高程，水流走向等均应在图上标记清楚；图上应标记水尺、测流断面、岸上控制点的位置及相应坐标等。按1∶500测绘地形图，水下礁石的范围、特征、高程，有测点，并标记清楚。

2.2.2 使用方法。多普勒流量剖面仪使用过程，将多普勒剖面流速固定在河中可能有走底情况的垂线至少5min，用软件记录一个数据文件：船迹会显示出从开始点向上游方向移动，显示的“DMG”（直线距离）较大（表示有走底现象）。当船迹没有明显向上游方向移动时，显示的“DMG”较小。

2.2.3 断面流速分布测量。结合枯水期地形测量时进行，测量时间为2015年枯水期。测流断面为龙圩水道、内江、洗马滩、桂江4个进行测量。测流断面位置应尽可能同水流流向垂直，若不能做到和所有测点垂直，应观测断面和水流间的流向角，并可视水流、岸线情况做适当调整，确定后应标记位置和坐标，河宽与地形图一致。垂线布设和垂线点数应根据山区河流特点，参照水运工程测量规范执行，各断面流量闭合误差应符合有关测量规范要求。

2.2.4 水位测量。水位测量包括长期观测的基本水位与临时水尺。基本水尺设长洲船闸系船墩水尺、龙圩航道站、二顶、梧州航道站、梧州水文站、界首滩尾等6处，均设有自动水位仪；临时水尺设3处，包括长洲尾、梧州旧站、江口航道站。基本水尺从2015年1月开始观读至2015年12月，每天在8∶00和16∶00观测两次；测流期间及测流前、后各一天，每小时观读一次，水位变化较快时相应缩短至每半小时观读一次。长洲枢纽三、四线船闸引航道以及浅滩、坝田等区域地形补测时，应进行1次水位观测，观测时间24小时，每小时观读一次，水位变化较快时相应缩短至每半小时观读一次。测流期间及测流前、后各一天，临时水尺应同步每小时观读一次，水位变化较快时相应缩短至每半小时观读一次。对采用自动水位仪观测的水位应定期进行校核，参照水运工程测量规范执行，确保数据的准确性。

2.3 和旋杯式流量测量的比较

传统旋杯式流量测量过程，和多普勒流量剖面仪测量过程有着大致相同的测量原理，通过在测流断面上对多条垂线进行布设，并测量水深，实现多点流速的测量工作。但是旋杯式流量测量过程，主要是一种静态性的测量方法，流速仪仅仅在水中不同深度M行实测，有着一定的难度。但是对于多普勒流量剖面仪测量过程，有着动态性的测量方法，在持续性的测量环节，结合全断面的测量应用，实际移动过程有着多条垂线布置，在深度点的流速值确定的时候，可以实现多个深度点流速值的深测。关于传统流速仪的测量环节，融合人员劳动强度的分析，人员操作量较小，在短时间内就可以计算水断面的流量，工作人员劳动强度相对较低，工作人员的人数也是相对较小的。

3 测量结果

关于测量的分析，在5月和6月有着较小的系统误差，主要是当时的测验过程有着不成熟的测验过程，人为误差相对较大。多普勒流速剖面仪测量环节，结合流速仪法的测量过程，和河道流量测验规范大致相同，不仅提高了测量的精确性，同时测站人员的劳动强度也在逐渐的降低。常规流速仪的确定，融合内陆河流域的水利工程性的测量需求。对于常规流速仪的测量，和水力工程测量需求相满足。相对而言，传统旋杯式流量测量仪器测量过程仅仅有着静态性的测流环节，同时垂线流量的测量过程，仅仅需要结合有限的测点数据进行断面流量的测量。对于多普勒流速剖面仪流量过程，有着精细化的子断面的测量环节，同时数据量相对丰富，通过对河流流量进行计算，并做好断面流量剖面的测量过程。

4 遇到的问题和解决对策

多普勒流速剖面仪流量过程，从近些年来的总结中显示，不仅有硬件问题，同时也有数据处理以及测验处理等相关的问题。在选择测船的时候，结合铁磁质测船的方法，在流速数据测量过程，往往有着较大的误差，这一问题的解决需要应用非铁磁质进行测船，结合木船以及玻璃钢船的形式进行测量。选择多普勒流速剖面仪流量的时候，保证有着最大的剖面深度，同时也要确定分层精度，尽可能地选择600kH型号的多普勒流速剖面仪流量。关于多普勒流速剖面仪流量参数的设置，结合多普勒流速剖面仪流量盲区和深度单元尺寸，同时确定脉冲间隔时间，保证有着准确性的测验结果。

5 结语

因此，水文观测中多普勒流量剖面仪的应用，就要做好水体剖面的无干扰测量，降低测量工作的难度，应用走航式的测量正确地计算流量，结合声波的背向散射强度，对水体悬浮泥沙浓度进行处理，尤其是复杂地形的确定，合理地选择水文条件，确定测验的参数，准确地计算参数，同时做好后续数据的有效性处理和应用，并保证有着精确的精度要求，实现水文的有效性观测。

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作者简介：杨剑锋（1973-），男，广西藤县人，供职于广西壮族自治区梧州航道管理局，研究方向：航道测量。