河流流量监控

《科学研究方法》课程学术报告

河流流量监控

专业:电子信息学院

摘要 本文介绍了国内目前较为常用的几种基于声学原理的河流流量自动监测技术及应用情况，包括超声波时差法、水平式多普勒测流、座底式代表线多普勒测流方法，介绍了国内声学多普勒测流规范的编写情况。最后对各种方法的优缺点进行简要评价。

一 引言

流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测验是水文工作的重要内容，每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。一些水位流量关系复杂的测站，每年需要高达数百次的流量测验。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找能减少流量测验次数、缩短测验历时、或通过监测水位、水位涨落率、落差(或水面比降)的方法间接测定流量、或直接采用能自动测定流量的方法。如采用水位流量关系单值化技术以减少流量测验次数;采用缆道测流、走航(动船)测验等技术以缩短测流历时;研制开发基于水力学、水文学模型的水位推算流量方法以实现流量间接测验，制定巡测规范以解决流量巡测、间测问题等。

这几年，随着流量自动监测技术的发展，以及洪水实时预报与洪水实时调度、大型水库(群)实时调度、水资源实时调度等对实时流量的迫切需要，基于声学原理的流量自动监测技术已得到广泛关注，并在国内的水文站上陆续得到应用。本

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文重点介绍基于声学原理的超声波时差法(也称速度差法)、多普勒流量自动监测技术在国内的应用情况。

二 正文 1 超声波时差法

超声波时差法的工作原理是根据声波在静水中传播时，在水的温度、密度、盐度一定时，声速是恒定的，如果水是流动的，那么声波顺水传播的速度为声速加上水速，逆水时为声速减去水速。利用这个原理，在测流断面上下游某一水层两岸各安装一声学探头，与水流呈45°角，测出顺流、逆流时两探头间声波传播的时间差，再根据二探头间距离和当时水中声速(静水)就可计算出断面上这一水层的平均流速。

整套系统由岸上主机、一对或几对水下探头、电缆、电源组成。需要时还有对岸辅机。水下探头至少要有一对，安装在某一水层的两岸，测量一层水层流速。较准确的测量需要两对探头，交叉或不交叉地安装在两岸测量一层水层流速。如果因为水深较大，那就需要安装两层或多层探头，测量两层或更多层的水层流速。

时差法流量测量系统，同样需要测量水位。一般可配置各型自动水位计。系统中也安装温度传感器，据此修正声速，也有水密度修正设置功能。

主机控制整个系统工作、接收、处理数据、计算水层平均流速、按照率定的(多)层流速与断面平均流速关系模型推算断面平均流速。断面面积仍由测得水位和断面形状参数推算。

超声波时差法可以测量宽达1000m以上的断面，可以用于宽浅河流。对泥沙含量高、流速大的断面适应性也较强。由于它测到的是整个水层流速，有较好的代表性，测速精度也较高。特别适用于复杂流态下的流量测验，如感潮河段，或具有双向流的测验断面。

超声波时差法在深圳河出口控制断面(水流受潮汐影响)已使用多年，效果较好。取得了复杂流态下的连续观测资料，为深圳河的治理提供了大量数据。珠江流域西江，北江水系之间的通道--思贤窖上的岗根水文站，其流向受西江、北江水位涨落的影响呈复杂的双向流态，流量测验极为困难，曾因此而停测多年，目前也将采用超声波时差法进行连续测流，项目已在实施过程中。

2 水平式多普勒测流

2.1 声学多普勒测流原理

声波在水中传播时，遇到水中泥沙等颗粒物体会反射回来。反射回来的声波会发生与此物体运动速度成正比的频率变化（多普勒频移）。如果这类物体随水

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流等速运动，测得回波的多普勒频移，就可计算出水流速度。声学多普勒测流就是基于这一原理的。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：

式中： Fd ＝声学多普勒频移 F ＝发射波频率

V＝颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度） C＝声波在水中的传播速度

式（１）中的系数２是因为ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)即发射声波又接收回波，因此多普勒频移加倍（Gordon，1996）。当F ，C ，Fd确定后即可计算颗粒物沿声束方向的移动速度V。 2.2 水平式多普勒测流

H-ADCP实时流量测量系统是美国RDI公司制造。H-ADCP与电脑连接即可以组成一独立的水平式多普勒实时流量测量系统。H-ADCP利用声学多普勒原理测量流速。通常H-ADCP安装在河流或渠道的岸边，探头上的声学换能器发出声波脉冲。同时接收各时间的回波，水平发射波束涵盖部分或整个宽度的水体，由回波时间的不同，判别相应测点离探头的距离。对每一回波的多普勒频移进行计算，得到探测水层各测点的流速分布，这样实时测量一个水层的流速分布。电脑利用H-ADCP提供的流速数据以及率定好的水平剖面流速与断面平均流速的关系模型实时计算河流或渠道的流量。

H-ADCP实时流量测量系统在水情复杂的水文站已经开始得到应用。珠委水文局于2003年初引进了一套H-ADCP，安装在珠江三角洲西江干流西海水道天河水文站。1月完成设备安装调试工作，随即开展比测工作，并于比测结束后投入试运行。天河水文站位于珠江三角洲西江干流西海水道。距河口约100km，受潮汐影响，枯季中低水时有逆流。仪器安装在测站的测验平台上。安装时用园钢作为滑道，由缆道控制器控制H-ADCP的升降，以测量不同相对水深的剖面流速。 举世瞩目的三峡水库在今年蓄水发电后，其出库水文站黄陵庙的水位流量关系受三峡水库调度和葛洲坝水库反调节的双重影响，水位流量关系复杂，为了能

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满足水库实时调度对水情的需要，今年八月，也引进了一套300KHZ的H-ADCP，目前也已安装完成，正在比测试运行。

3 座底式代表线法多普勒测流

3.1座底式测流原理

座底式代表线法多普勒测流是将探头安装在测流断面某一处(或几处)流速有代表性的垂线河底，换能器向上方发射声波，测得探头上方这一垂线上的流速分布，同时测得水位。根据代表线流速与断面平均流速的关系模型推算断面平均流速，进而计算断面流量。 3.2代表线的选择

代表线的选择是否恰当对座底式代表线法多普勒测流的精度有较大的影响。然而由于断面流速分布的复杂性，特别是断面宽达数公里，受潮汐影响，流态复杂的河口控制断面，其代表线的选择更加困难。由于常规测速垂线的有限性，如过去长江口全潮测验，虽然投入了100多人，动用了多条测船，仍然只能测得极为有限的流速垂线，很难控制全断面的流速分布。因此需要采用新的方法进行代表线优选。

走航式ADCP测流是收集断面流速分布的有效方法。当装备有ADCP的测船从测流断面一侧航行至另一侧时，ADCP即可测出河流流量。ADCP一般配备有四个（或三个）换能器。换能器与ADCP轴线成一定夹角。ADCP每个声束轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的流速分量。任意三个声束轴线即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（局部坐标系）：X-Y-Z。Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一声束坐标的流速分量；然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的变换关系（取决于声束角）将声束坐标系下的流速分量转换为X-Y-Z坐标系下的流速分量；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。

假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，ADCP通过跟踪颗粒物的运动（称为“水跟踪”）所测量的速度是水流相对于ADCP（也即ADCP安装平台）的速度。当ADCP安装在船上（移动平台），在“水跟踪”测量的相对速度中扣除船速（平台的移动速度）后即得到水流的绝对速度。有两种方法可以测量船速。

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