水文用聲學(xué)多普勒剖面流速儀的計(jì)量檢定.docxVIP

1、水文用聲學(xué)多普勒剖面流速儀的計(jì)量檢定姚永熙(南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京210012)【摘要】聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)已在水文測(cè)驗(yàn)中推廣應(yīng)用，但ADCP的檢定校準(zhǔn)問題沒有解決。在現(xiàn)有的流速儀檢定水槽中，ADCP不能測(cè)得可靠的流速參數(shù)。本文說明了ADCP流速參數(shù)檢定校準(zhǔn)需要的必要條件，以及國(guó)內(nèi)為檢定ADCP應(yīng)做的工作。提出了對(duì)現(xiàn)有流速儀檢定水槽的改造建議，以探討利用現(xiàn)有流速儀檢定水槽檢定校準(zhǔn)ADCP流速參數(shù)的可能性?！娟P(guān)鍵詞】水文測(cè)驗(yàn)；聲學(xué)多普勒流速剖面儀；檢定【中圖分類號(hào)】TB9【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1008-1305(2008)02-0008031問題的提出本文的內(nèi)容主要

2、適用于水文測(cè)驗(yàn)中應(yīng)用的聲學(xué)多普勒剖面流速儀(ADCP或ADP等)，以下簡(jiǎn)稱“ADCP”。1.1 ADCP工作原理簡(jiǎn)介(1) 測(cè)速原理。振源發(fā)射的超聲波遇到物體后發(fā)生反射，如果振源與物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，振源接收到的反射波頻率將發(fā)生變化。這種由于振源和反射物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的接收信號(hào)頻率相對(duì)于振源發(fā)射頻率的頻移現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。測(cè)出此頻移就能測(cè)出物體的運(yùn)動(dòng)速度。在測(cè)雖時(shí)，由測(cè)最儀器發(fā)出輻射波束，再接收被測(cè)物體的反射波，測(cè)出頻移，算出速度。在實(shí)際使用時(shí)，將水中的懸浮物或小氣泡作為反射體，測(cè)得其運(yùn)動(dòng)速度，也就認(rèn)為測(cè)得了流速。ADCP從發(fā)射聲波脈沖開始，經(jīng)不同時(shí)間接收到的反射波是相應(yīng)不同距離處

3、測(cè)點(diǎn)的反射。它們的多普勒頻移代表聲束上各測(cè)點(diǎn)的流速，由此測(cè)得流速分布。(2) 流量測(cè)量原理。ADCP在測(cè)速的同時(shí)測(cè)量水流斷面或應(yīng)用已有斷面數(shù)據(jù)，按流速面積法原理計(jì)算流量。1.2 ADCP在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用上世紀(jì)九十年代初水文測(cè)驗(yàn)開始引進(jìn)美國(guó)的走航式ADCP,在長(zhǎng)江口應(yīng)用。由于應(yīng)用效果較好，隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)力最的增強(qiáng)，以及水文測(cè)驗(yàn)工作的需要，本世紀(jì)以來，引進(jìn)數(shù)量激增，應(yīng)用范圍已遍及全國(guó)。在應(yīng)用中，水文系統(tǒng)進(jìn)行了全面的試驗(yàn)，雖然也發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用中ADCP可能存在的問題，但總的講，在適用的范圍內(nèi)，ADCP自動(dòng)測(cè)流的先進(jìn)性明顯，是一種值得在一定范圍內(nèi)推廣的測(cè)流儀器。目前在很多水文站點(diǎn)的流域測(cè)驗(yàn)中，ADCP已

4、成為不可缺少的先進(jìn)儀器。1.3對(duì)ADCP進(jìn)行計(jì)檢定和比測(cè)的必要性盡管ADCP的制造商已在儀器的技術(shù)材料上說明了儀器的各種技術(shù)數(shù)據(jù)，也包括了各測(cè)量參數(shù)的測(cè)信準(zhǔn)確性。但基于以下原因，仍應(yīng)該對(duì)ADCP的各測(cè)量參數(shù)進(jìn)行計(jì)量檢定和比測(cè)。(1) 水文測(cè)驗(yàn)上的要求。各種水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范都要求在使用新方法、新設(shè)備對(duì)水文參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須經(jīng)過充分的比測(cè)。需要證明使用新方法、新設(shè)備測(cè)得的水文參數(shù)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，并經(jīng)批準(zhǔn)后,方可正式使用這種新方法，新設(shè)備。而其中重要的一點(diǎn)就是使用新設(shè)備和原來的使用設(shè)備進(jìn)行比測(cè)。(2) 實(shí)際試用結(jié)果的需要。走航式ADCP能直接得到流量數(shù)據(jù)，在實(shí)際試用中和常規(guī)的流速儀面積法測(cè)得的結(jié)果，并不

5、完全相符，會(huì)出現(xiàn)不同的作者簡(jiǎn)介：姚永熙(1946年-),男，教授級(jí)高級(jí)工程師。系統(tǒng)誤差。使用固定式ADCP（主要是水平ADCP）時(shí)，還可以和轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行定點(diǎn)流速比測(cè)，比測(cè)結(jié)果也常會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。重要的是這些比測(cè)不能說明ADCP的儀器性能，要進(jìn)行正規(guī)的計(jì)量檢定才能真正說明ADCP的參數(shù)測(cè)量性能。（3）計(jì)量上的要求。ADCP測(cè)景流速、流量，可以被認(rèn)為是計(jì)僅儀器，水量計(jì)量:的重要性也日益被各方面重視。而計(jì)最儀器必須按經(jīng)批準(zhǔn)的計(jì)量規(guī)程進(jìn)行計(jì)量檢定后才能正式使用。這就更提高了對(duì)ADCP進(jìn)行計(jì)量:檢定的必要性。實(shí)際上，由于不能準(zhǔn)確地確定ADCP的測(cè)量準(zhǔn)確性，也影響了ADCP的推廣應(yīng)用。使用單位已強(qiáng)烈要

6、求解決ADCP的計(jì)量檢定問題。2ADCP計(jì)量檢定和比測(cè)的現(xiàn)狀目前沒有適用的計(jì)量檢定設(shè)備，也沒有相應(yīng)的計(jì)信檢定規(guī)程，國(guó)內(nèi)也沒有進(jìn)行過ADCP的計(jì)量檢定。2.1 ADCP的計(jì)量檢定和比測(cè)要求應(yīng)用中的ADCP設(shè)備實(shí)際上是一個(gè)流量測(cè)信系統(tǒng)。為了測(cè)到流量，它同時(shí)測(cè)信流速分布、水深或水位；為了測(cè)得流速，走航式ADCP還需要同時(shí)測(cè)量船速（底跟蹤）、用羅經(jīng)測(cè)量方位、用傾斜計(jì)測(cè)量?jī)A斜度；還需要測(cè)量水溫，以修正超聲波速，得到準(zhǔn)確的流速、水深、水位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都參與了流量:計(jì)算，因此，要對(duì)ADCP進(jìn)行全面的計(jì)量檢定，就必須對(duì)所測(cè)的流速、底跟蹤（船速）、水深、水位、水溫、方位角、傾斜角進(jìn)行計(jì)量檢定，才能保證ADCP

7、的流速、流量計(jì)量準(zhǔn)確度。2.2 ADCP的現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)方法因?yàn)樗臏y(cè)驗(yàn)的要求，也因?yàn)闆]有規(guī)定的室內(nèi)檢定比測(cè)方法。使用ADCP的單位常應(yīng)用在流量測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)（天然河流或渠道中）進(jìn)行比測(cè)的方法來驗(yàn)證ADCP的測(cè)流性能和測(cè)得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。常使用的方法是流量比測(cè)法和流速比測(cè)法。（1）流量比測(cè)法。在流量測(cè)量斷面上，用走航式ADCP測(cè)量流量。同時(shí)用常規(guī)的可靠方法，如流速儀精測(cè)法，測(cè)量流量。經(jīng)不同水位的多個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)的流量比測(cè)，以常規(guī)方法為準(zhǔn)確值，確定AD-CP的測(cè)量準(zhǔn)確性。走航式ADCP適用于此方法。（2）流速比測(cè)法。此方法主要適用于固定式ADCP（主要是水平ADCP）o在固定式ADCP的各測(cè)速單元處用轉(zhuǎn)子式流速儀

8、同時(shí)測(cè)量流速，以轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得的點(diǎn)流速為準(zhǔn)確值，和ADCP測(cè)得的此單元處的流速比較，確定ADCP的測(cè)量準(zhǔn)確性?，F(xiàn)場(chǎng)比測(cè)法符合水文測(cè)驗(yàn)要求，在一定程度上，也很能說明ADCP的性能。目前這是判定、研究ADCP測(cè)量準(zhǔn)確性的很好方法。尤其是在某一場(chǎng)合具體應(yīng)用時(shí)。但是，這種方法不符合計(jì)量檢定要求?，F(xiàn)場(chǎng)比測(cè)受現(xiàn)場(chǎng)條件影響很大，得到的結(jié)果很難有普遍的代表性。因此，希望能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)ADCP進(jìn)行檢定。2.3在流速儀檢定水槽中進(jìn)行ADCP的流速參蟠對(duì)于流速參數(shù)，首先就想在流速儀檢定水槽中進(jìn)行檢定。由于對(duì)ADCP的性能了解問題，現(xiàn)在仍有很少意見認(rèn)為可以在目前的流速儀檢定水槽中進(jìn)行ADCP的流速參數(shù)計(jì)量檢定，

9、但實(shí)際上是不可行的。也沒有任何檢定的實(shí)例。（1）存在問題的分析。ADCP的測(cè)速依據(jù)多普勒頻移原理，水體中必須有反射聲波的懸浮顆粒或氣泡才能反射測(cè)量波束，而室內(nèi)流速儀檢定水槽中的靜水既沒有懸浮顆粒也沒有氣泡，ADCP接收不到什么反射信號(hào)。而反射信號(hào)強(qiáng)度低于一定值時(shí)，都只會(huì)得到錯(cuò)誤的單元流速值。所以就不會(huì)測(cè)得能用于計(jì)量檢定的流速數(shù)據(jù)。按試驗(yàn)儀器的頻率和性能不同，水槽應(yīng)有相應(yīng)的尺度和聲學(xué)抗干擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。較小的水槽水體也不能用于盲區(qū)較大的聲學(xué)儀器試驗(yàn)。ADCP的計(jì)量檢定應(yīng)有上述的各個(gè)參數(shù)，不能認(rèn)為只要能檢定一個(gè)流速參數(shù)就可以了。（2）實(shí)際試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介。為了能證明或是了解現(xiàn)在的流速儀檢定水槽是否能檢定A

10、DCP的流速參數(shù)，近年來曾進(jìn)行過多次試驗(yàn)。將ADCP安裝在流速儀檢定車上，進(jìn)行各個(gè)速度級(jí)的運(yùn)行，ADCP都得不到、或只能得到很少量的流速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也很不穩(wěn)定，根本不能用于流速參數(shù)的計(jì)量檢定。筆者了解的三次試驗(yàn)都不成功，不成功是必然的。但這種方法可以檢定底跟蹤（船速）參數(shù)，因?yàn)樗鄣谆虮谑呛芎玫摹昂拥住?。注意不要把底跟蹤（船速）參?shù)當(dāng)成了流速參數(shù)。多普勒流量計(jì)早就應(yīng)用于管道流量測(cè)植，管道流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只適用于懸浮物含量大于0.OGkg/m，的水體。在多普勒管道流量計(jì)的試驗(yàn)方法中，規(guī)定了要在試驗(yàn)水體中充放氣泡或懸浮物，以保證得到可靠的數(shù)據(jù)。由此也可證明，不能在很靜的清水中檢定ADCP和多普勒流速儀

11、。實(shí)際上，可以在流速儀檢定水槽中檢定聲學(xué)時(shí)差法流速儀、電磁點(diǎn)流速儀、電波流速儀。3目前ADCP制造商應(yīng)用的流速檢測(cè)方法介紹ADCP的制造商沒有幾家，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的基本上是美國(guó)兩家公司的產(chǎn)品。除了產(chǎn)品檢驗(yàn)外，制造商并不對(duì)每臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)量性質(zhì)的檢定，也沒有對(duì)每臺(tái)儀器進(jìn)行流速測(cè)量的計(jì)笊檢定。但是，他們做過試驗(yàn)性的流速計(jì)量檢定。據(jù)公布的資料，這兩家公司的流速檢測(cè)是在一個(gè)寬度為15.5m、深度為6.7m的很大、很長(zhǎng)的靜水槽內(nèi)進(jìn)行的，在水體中安放了聲波反射物。試驗(yàn)進(jìn)行了多次，對(duì)流速的檢測(cè)是成功的。4ADCP的檢定校準(zhǔn)4.1流速參數(shù)檢定校準(zhǔn)需要的條件需要檢定校準(zhǔn)的關(guān)健參數(shù)是流速。(1) 流速計(jì)量檢定校準(zhǔn)設(shè)備。較

12、大的直線靜水水槽可以創(chuàng)造條件來檢定ADCP的流速參數(shù)，水槽應(yīng)較寬、較深。其結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能符合聲學(xué)試驗(yàn)要求，要仔細(xì)考慮ADCP在檢定設(shè)備上的安裝方式。動(dòng)水槽更適合檢定ADCP的流速參數(shù)，但是需要有較大的過水?dāng)嗝?，和相?yīng)的流速穩(wěn)定性，一般的動(dòng)水槽達(dá)不到此要求。較小的動(dòng)水槽適用于檢定聲學(xué)多普勒點(diǎn)流速儀。(2) 對(duì)水槽中水體的要求。檢定ADCP時(shí)，水槽水體中必須有一定的懸浮顆粒或氣泡，這是一般的靜水槽難以做到的，也是目前不能用流速儀檢定水槽檢定ADCP流速參數(shù)的決定性原因。4.2需要制定ADCP的檢定校準(zhǔn)方法標(biāo)準(zhǔn)ADCP沒有進(jìn)行過正式的檢定校準(zhǔn)，也沒有正式的檢測(cè)方法或計(jì)量規(guī)程。需要制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提

13、出對(duì)ADCP的檢定校準(zhǔn)技術(shù)要求，規(guī)定AD-CP應(yīng)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)的參數(shù)、應(yīng)用的設(shè)備、方法。4.3流速參數(shù)以外的有關(guān)參數(shù)檢定校準(zhǔn)方法除了流速參數(shù)外，ADCP還測(cè)量船速(底跟蹤)，水深、水位、水溫、方位角、傾斜角參數(shù)。要保證ADCP的流量測(cè)值準(zhǔn)確，也應(yīng)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。(1) 船速(底跟蹤)。可以在流速儀檢定水槽中進(jìn)行，槽底或槽壁是很好的模擬河底。(2) 水深、水位。ADCP測(cè)量水深都應(yīng)用超聲測(cè)深儀，測(cè)量水位應(yīng)用超聲水位計(jì)或壓力水位計(jì)。這些參數(shù)的測(cè)試已有相應(yīng)的測(cè)試方法規(guī)定?？梢园匆?guī)定執(zhí)行。(3) 水溫、方位角、傾斜角。這幾個(gè)參數(shù)的檢定都有相關(guān)的行業(yè)規(guī)定，按各行業(yè)的檢定規(guī)程進(jìn)行檢定。5建議的ADC

14、P流速檢定校準(zhǔn)設(shè)備5.1建造可以用于ADCP流速檢定校準(zhǔn)的專用水槽此專用水槽基本上與流速儀檢定水槽相同。主要不同之處是：(1) 應(yīng)較寬、較深，以能測(cè)到數(shù)個(gè)剖面單元流速，減少盲區(qū)影響。水槽可以稍短些。(2) 水槽設(shè)計(jì)應(yīng)符合聲學(xué)水槽要求。(3) 槽內(nèi)水體中應(yīng)有懸浮顆粒或氣泡存在，這是最重要的。(4) 適用于ADCP檢測(cè)試驗(yàn)的水下安裝結(jié)構(gòu)。專用水槽的建設(shè)很難實(shí)施。5.2改造現(xiàn)有流速儀檢定水槽要使ADCP在現(xiàn)有流速儀檢定水槽中可靠地測(cè)得流速，應(yīng)進(jìn)行以下改造。(1) 使水體中保持懸浮顆粒或氣泡，這是必須進(jìn)行的。可試用以下二種方法。在水體中撒放不溶性固體懸浮顆粒。其顆粒應(yīng)較小，具體計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮ADCP的工

15、作頻率。要考慮其容重和沉降特性，使它能較長(zhǎng)時(shí)期保持懸浮狀態(tài)。增加氣泡釋放裝置。在水槽測(cè)量段上一定長(zhǎng)度內(nèi)的水槽底部，安裝氣泡釋放裝置(管)。檢定時(shí)放出氣泡，使ADCP能測(cè)到流速。氣泡的大小，密度要經(jīng)過一定設(shè)計(jì)計(jì)算，氣泡要釋放均勻。(2) 水槽的聲學(xué)性能改造。簡(jiǎn)單而必要的改造措施是在水槽測(cè)髭段的槽底、槽壁上鋪設(shè)吸聲橡膠。吸聲橡膠的規(guī)格主要按聲學(xué)頻率而定。流速儀檢定水槽的水體不大，聲學(xué)環(huán)境也很差，鋪設(shè)吸聲橡膠將很有利于抗干擾和信號(hào)接收，也符合聲學(xué)儀器試驗(yàn)要求。此改造應(yīng)經(jīng)專門設(shè)計(jì)。(3) ADCP的水下安裝設(shè)計(jì)。ADCP的測(cè)速原理和轉(zhuǎn)子式流速儀完全不同，水流擾動(dòng)、與槽體距離、各種電干擾、機(jī)械振動(dòng)等都可

16、能影響其流速測(cè)量值。作為計(jì)最檢定，必須嚴(yán)格考慮各種影響。經(jīng)過上述改造，被測(cè)ADCP應(yīng)該能得到較穩(wěn)定的流速測(cè)量值。加上對(duì)其它參數(shù)的檢定測(cè)試，可以對(duì)ADCP進(jìn)行較完整的檢定校準(zhǔn)。(下轉(zhuǎn)第30頁)如圖3及圖4所示，氨氮在波動(dòng)中呈下降趨勢(shì),多年均值約為0.5mg/L；高鏈酸鹽指數(shù)大致保持穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果在3.6mg/L左右波動(dòng)。二者秩相關(guān)系數(shù)分別為-0.5、0.1,水質(zhì)變化趨勢(shì)不顯普。3.50112001200220032004年份2005圖5氨飄年均值濃度變化及趨勢(shì)分析圖圖6高鉉酸鹽指數(shù)年均值濃度變化及趨勢(shì)分析圖5結(jié)語蘇北大運(yùn)河作為南水北調(diào)東線工程主輸水干線,“十五”期間除里運(yùn)河絕大部分河道及中運(yùn)河部

17、分河道水質(zhì)較好，達(dá)nm類，符合輸水要求；不牢河、中運(yùn)河部分河道、里運(yùn)河淮安段污染嚴(yán)重，水質(zhì)為V類水左右，距離輸水要求尚有一段不小的距離。通過趨勢(shì)分析可以發(fā)現(xiàn)，“十五”期間蘇北大運(yùn)河各河道水質(zhì)無明顯下降或好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但不牢河、中運(yùn)河邳州段及里運(yùn)河淮安等河道部分時(shí)段水質(zhì)仍存在不同程度的下降趨勢(shì)，需要在以后的污染防治工作中引起重視。其次,趨勢(shì)分析表明蘇北大運(yùn)河年均值水質(zhì)變化趨勢(shì)與非汛期水質(zhì)變化趨勢(shì)相似，說明非汛期污染物濃度對(duì)全年水質(zhì)影響較大，有關(guān)部門在堅(jiān)持不懈、持之以恒地加強(qiáng)污染源防治力度的同時(shí)，尤其需要強(qiáng)化非汛期期間污染源防治,進(jìn)一步保障蘇北大運(yùn)河水環(huán)境質(zhì)量的早日好轉(zhuǎn)，不折不扣地確?！耙唤逅虮绷鳌?。參考文獻(xiàn)1JCB3838-2OO2地表水環(huán)境質(zhì)最標(biāo)準(zhǔn)S4.3年均值蘇北大運(yùn)河各河段