M9在黑龙江干流封冻期流量测验中的应用

张 羽，柳 恒，赵 明，任宝学

（松辽委水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河164300）

1 声学多普勒流速剖面仪

1.1 简介及测流原理

SonTek/YSI 公司历经数年结合全球应用经验研究开发的RiverSurveyor M9 声学多普勒水流剖面仪，体积小巧、功能强大、易于操作，内置微处理器直接计算流量并保存数据，无需依靠外部程序，数据也不会因通讯中断而丢失。可进行走航式和定点式流量侧验。

M9 型声学多普勒流速剖面仪配有9 个换能器,换能器与ADP 轴线成一定夹角,每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射固定频率的声波,然后接收水中颗粒物散射回来的和水流速度相同,则当颗粒物接近换能器时,换能器接收到的回波频率比发射波的频率高; 当颗粒物背离换能器时,换能器接收到的回波频率比发射波的频率低。声学多普勒频移(即发射声波频率与回波频率之差)的计算式为

式中: FD为声学多普勒频移；F 为发射声波的频率；v 为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 为声波在水中单位时间内传播的距离。

1.2 定点测量方法及流量计算

声学多普勒流速剖面仪封冻期定点测量方法遵循于ISO 国标准的流速面积测量技术（类似于我国常用的转子式流速仪断面布设垂线的测验方法）。通常，沿着测量的断面线，布设若干条测量垂线，以获得更精确的垂线剖面的代表垂线平均流速，从而通过计算，得到过水断面的流量。封冻期定点测流方式就是在断面上布设冰孔，通过冰孔施测流速和水深。每个冰孔看作是一条测量垂线，M9 通过定点测量软件RiverSurveyor Stationary Live 测量冰孔部位水深和垂线剖面的平均流速，再由冰孔间距，从而计算出流量。

水深通过8 个测速波束计算获得，也可以通过1 个垂直波束实测获得，或者采用其它测量水深的方法（例如采用测杆或其它测深设备）人工输入到定点测量软件中而获得水深数据。垂线剖面的平均流速是通过测量到的河床以上所有有效测量单元的流速进行计算而获得。每条部分垂线的宽度即相邻两冰孔的间距。

2 垂线及测点布设

由于俄方未允许全江测验，所以仪器比测在卡伦山站基本断面进行半江测试，10 条垂线，选定10 个冰孔，间距30～40 m。

M9 换能器放在冰底或冰花底部以下0.10 m 处，一点法。流速仪采用LS1206B 型悬索测流，根据有效水深，确定垂线测点数量和相对位置，测点布设见表1。

表1 流速仪测点布设

3 参数设置

3.1 流速系数

M9 岸边流速系数α：水深均匀地变浅至零的斜坡岸边α 值取0.67～0.75；陡岸边，不平整时α 值取0.8，光滑时α 值取0.9。

岸边流量估算通常采用岸边区域平均流速乘以部分面积而得，岸边区域平均流速Vα按下式计算：

式中：Vm——为起点微断面（近似垂线）或终点微断面内的深度平均流速；α——为岸边流速系数。

卡伦山、上马厂站采用流速仪法测流时，岸边流速系数取0.70 来估算岸边流量。根据两站岸边实际情况，M9 岸边流速系数定为0.7，与流速仪法相同，中间部分采用1.0。

3.2 其它参数

M9 可以应用走航式软件测算磁北艘向（方位角），这是沿着断面线从左岸指向右岸的罗盘方向。卡伦山测得为326°，上马厂为224°。水温仪器默认为15 ℃，由于北方河流冬季水温较低，对测量结果有一定影响，故流量数据处理时温度采用仪器工作时的水体温度平均值加以修正，盐度参数设置为0。冰厚或冰花厚用量冰尺人工观读，M9 和流速仪采用相同冰厚数据。

4 比测参数

4.1 定点流速

M9 使用悬杆进行冰孔测验，换能器放在冰底或冰花底部以下0.10 m 处，一点法测平均流速。流速仪流速采用各测点算数平均值代表垂线流速。

4.2 流量比测

M9 与LS1206B 型常规流速仪同水位状态下比测流量，流速仪流量按照部分平均法加和求得。M9 仪器根据水深自动给出采样单元数，流量计算软件设定为部分平均法计算流量。

5 比测结果

5.1 流量比测结果分析

M9 和流速仪定点流量测验采用具有代表性的样本进行分析[2]，流量测验数据见表2。

由表2可以看出M9 和LS1206B 两套系统流量测验结果吻合较好，流量误差在2%以内。M9 测回内偏差也在1%以内，仪器性能稳定，效果理想。

5.2 流速比测结果[3]

LS1206B 施测垂线平均流速与M9 施测流速吻合较好，施测样本对应冰孔两者相对误差在5%以内。测点历时采用100 s，很好地克服了脉动现象的影响。部分冰孔由于冰底有流动的冰块仪器无法入水施测，无数据。流速测次数据见表3。

表2 M9 和流速仪测验流量数据

表3 M9 和LS1206B 流速仪施测流速数据m/s

6 比测结果评价

6.1 测验结果

M9 和流速仪法流量的比测结果理想，流量误差在2%以内，两者对应垂线平均流速也在5%内，达到规范要求。

6.2 测验误差

由于黑龙江冬季冰层较厚，河底经常有冰花的存在，仪器是依靠声波的发射和接收，声波在发射和接收过程中，会受到各种非流速因素的干扰和影响,尤其是冰期水下冰花较多，冰花或冰块对换能器有一定的干扰，这种干扰和影响若超过一定的范围则会产生流速误差。所以观读冰厚时要弄清是否有冰花的存在，并要测得冰花厚度，以使仪器操作软件开启带有冰花情况下的测量模式，测得准确的数据。

6.3 测验心得

为提高精度和减小误差，测验中积累了一些经验：

1）在每一次流量测量之前，进行罗盘校正。罗盘校正可用来补偿该测量地点的磁场对仪器内罗盘的影响。将仪器旋转完整的3 个圆周，在旋转的过程中，尽可能地摇动换能器，并改变罗盘的纵摇和横摇的姿态。2）要准确测得方位角。3）要精确测量出M9 换能器入水深度及所处冰底或冰花底部的位置。4）连接换能器的悬杆要保证无磁性，去除外来磁场对仪器干扰；悬杆要牢固，避免换能器在冰孔中晃动。

7 结 语

M9 作为先进的水文测验仪器，在流量测验中，发挥着越来越重要的作用，2013年黑龙江干流大洪水期，M9 型声学多普勒流速剖面仪完成了在高水位、高流速情况下的洪水测验任务，仪器性能稳定，效果良好。冰期使用M9 进行定点流量测验，代替了爬犁和铅鱼等笨重的测验设备，操作轻便，降低了劳动强度，测验历时较传统方法缩短了约2/3 的时间，大大提高了工作效率，缩短了江上作业时间。经过比测精度达到了水文测验要求，M9 已经投入到黑龙江干流冬季流量测验中去。作为一种有有别于传统方式、高科技新型的水文测验设备，可供研究和挖掘的东西尚有很多，只有不断的总结和摸索，充分发挥其性能，才能为水文事业发挥更大的作用。

［1］ SL337-2006，声学多普勒流量测验规范［S］.

［2］ 宋志宏，田淳.声学多普勒流速剖面仪在长江口的应用［J］. 水文，1997（6）.

［3］ 水利部珠江水利委员会水文水资源勘测中心.ADCP 比测成果报告［R］.2002.