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案例分享:SonTek M9 声学多普勒剖面流速仪在长委仙桃水文站测量断面流量测验报告
发布时间:2017-07-24

作为全球声学多普勒监测技术的领导者之一,赛莱默分析仪器旗下SonTek品牌拥有众多经典产品。其中M9声学多普勒剖面流速仪,是一款专门为河流走航方式测量流量、三维流速、水深而设计的水文测流仪器。

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M9总结了10多年来国际上多普勒流速仪存在的各种问题,从而设计和开发成了一个功能强大、全新高端的、全集成的流量测量系统。M9 独特的多频率、多波束声学多普勒剖面系统,满足了从浅水(最小0.3米)到深水(最大达80米)的各种河流的测流需要,而不再像以前那样需要更换不同频率的仪器才能完成测验工作。M9专用的低频垂直波束测流水深,有效地提供了水深测量和流量测量的精度。M9整合了所有高效的工作模式,根据水深和流速,可自动及时切换成脉冲相干模式、宽带模式和窄带模式,大大提高了低、中、高流速的测量性能。它全新的多普勒电子电路设计,使得收集数据的采样频率比现有的多普勒剖面仪快3~4倍,不仅进一步地提高测量精度,对船速的要求也大大降低,不再局限于船速小于等于流速的限制,甚至于可在船速大于流速3倍以上的情况下,仍可以得到很好的测流效果。M9将远程遥测、内置存储器的流量计算和实时质量控制、实时动态(RTK)的GPS、可充电电池的供电等功能一体化,使它成为了当今能够在河道变化范围很大的情况下仍然可以有效测流的独一无二的河流流量测量系统。

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2014年4月14日,在长委水文局中游局的大力支持下, 由赛莱默分析仪器及其合作伙伴主导,对SonTek M9 走航式声学多普勒剖面测流仪在中游局仙桃水文站的缆道断面进行了现场流量测验。赛莱默分析仪器希望通过现场的流量实测,进一步显示M9 系统强大的功能、简易的操作方法和高精度的测量成果;并探索该仪器在长委系统范围内,利用缆道的过河设施进行快速测流的性能。长委有关领导和技术工程师也参加了这次测流演示,并进行了现场的指导和讨论。

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现场测量方法




仙桃水文站的测流断面,在当前水位的条件下,水面河宽约200米,水深约5.6米,靠近左约岸70米处有一个浅滩,断面平均流速约0.63米/秒,断面面积约480米2,过水断面流量约300米3/秒。在通常情况下,该站采用传统的转子式流速仪布设约8~9条垂线进行测验,测验历时约1.5小时。

仙桃水文站本身架有过河缆道;这次M9的演示就利用缆道设备作为测流的过河工具,拖曳M9 的单体船横跨河道完成一次流量的测验(类似于上图中的方式进行测流)。

这次测量中,M9选配了无线电台的数据遥测方式。按照水文局的要求,我们也同时配备了M9自带的内置DGPS,用以比较采用底跟踪测量和采用DGPS测量的不同成果。无线电台的终端安放在缆道房内,ADCP采集的数据传输到计算机中;由计算机控制测量的开始和结束。M9的设置和使用非常简单,整个测量过程只需要使用F5的一键操作方法,即可完成整个流量的测验。在测量前,操作人员只需输入站名和换能器入水深度这二个参数,测量时只需确认左右岸和到水边距离的输入即可。M9改变了原来的由计算机软件计算流量的做法,整个测量过程所有的数据保存在M9的内置存储器中,并在仪器内部实时进行流量计算,计算机只是起了显示、监测和保存数据的作用。这样的好处是:所有大量的数据和复杂的计算全部在仪器内部完成,不再依赖于和受到无线传输速率的限制,在测量过程中,即使通讯中断,数据仍然保留在仪器内部,不会丢失。

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       上图是软件显示实测过程的截图。其中:右下图显示了仙桃测流断面的断面图和流速的分布情况;右中图显示了走航的航迹和流速、流向的分布;右上图是分别用垂直波束(红色曲线)和底跟踪波束(绿色曲线)测量的河床水深分布,可以看到采用了垂直波束更准确地测量到河床实际变化的状况,提高了流量的测验精度。左边的数字区域,显示了每条垂线(剖面)的流速、水深、流量等参数。

       整个测验自下午的14:25开始,14:52结束,共27分钟,施测了二个测回、4个测次。每个测次的历时约5~8分钟。为了考察缆道在不同拖曳速度时对测量和测流精度的影响,每个测次测量的历时也不同。第一次的测流历时为8分17秒为最长;第三次测流历时为5分04秒,缆道已经开了最快的速度。从测流成果来看,船速对测流的精度几乎没有影响。M9在这方面的性能已经超越了以往ADCP船速受到流速的限制。

 

流量测量成果



       按照规范的要求,我们将4个测次的流量值,进行平均,然后得到本次流量的最终流量成果。软件可以给出流量测量成果汇总表并打印。同时,还可以输出符合我国声学多普勒测流规范中要求的测量测验记载表,见以下表格。

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由软件提供的实测数据后处理功能,可以得到:二个测回4个测次的平均流量值为302 m3/s,每个测次与平均值的标准误差为0.8%,实测流量部分的百分比为76%;符合规范中要求的标准误差不超过5%的规定。上述实测的成果,是采用低频垂直波束测量水深,并采用底跟踪作为流速和航迹的测量参考而获得的数据。该站在上午曾经采用缆道转子式流速仪的常规测验方式进行了流量测验,实测的流量为298m3/s。这与我们在下午采用M9测量得到的流量值相吻合。

从实测数据中还可以看到,断面平均流速在0.65 m/s左右,在河道中弘附近的最大测点流速为1.45m/s,最大水深为5.7米,水面宽为206米,断面面积为479米2。从软件显示的河床水道断面可以看出,在近左岸70米,有一个浅滩,其最小水深约 0.6米。对于早期的ADCP,由于受到仪器本身盲区的限制,再加上为了保证仪器探头始终处于水下的工作状态,需要有一定的入水深度;这样在通过浅滩时,可能会出现丢失数据的现象,而带来一定的测验误差。M9可以测量到探头以下0.06米处的流速,探头以下0.2米的水深。考虑到需要一定数量的采样单元,技术指标定为:获得流量数据的最小水深为0.3米。通常在0.2米左右,就会显示出流速和流量的数据。M9所以有如此好的表现,其原因是,在低速和浅水的情况下,仪器会自动采用高频率的测量探头,并采用脉冲相干的工作模式,这种工作模式在低流速和浅水时,要比宽带模式或窄带模式的性能好很多。M9在中等流速时,自动切换到宽带工作模式;而在高速的条件下,又自动转换为窄带工作模式。依赖于这个特性,M9可以在任何的流速条件下,始终采用最佳的工作模式和获得最佳的性能。

从回访的软件中还可以看到4次测量的测量时间:第一次测流历时8分17秒,流量为302 m3/s。在第三次测流时,按照中游局领导的要求,采用了快速拖曳的方法,测流历时为5分04秒(如果去除在二个河岸等候和准备的时间,实际测量历时约4分钟),流量为298 m3/s,其中最快的时候,缆道速度达到1.36m/s,当时的水流速度是 0.34 m/s,。船速大于流速的3倍以上,大大超过了多普勒测流规范要求的船速小于或等于流速的测验要求。但是,测流的精度几乎没有多大的影响,可见M9在这方面的优异性能。

M9在仙桃水文站实测部分达到了75%。通常,对于老一代的ADCP,只能保持在 65%左右。而实测部分越大,其测流的精度也就越高。

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M9的后处理软件可以输出非常大的信息量,包括:可以直接拷贝各种不同的图表、曲线,便于用户的分析和使用。以上的二个图就是直接从软件中拷贝过来的。其中第一个图显示了水道断面图和流速分布图,红色的流速最大,黄色的流速其次,蓝色的流速最小。第二个显示了测量航迹上各条垂线平均流速的流速大小和流向的分布状况。

M9的后处理软件还可以将所有实测的数据并以ASCII码的文本文件形式输出,我们可以用Excel软件打开这些文件。最有用的一个应用就是,可以通过Excel的制表方法,绘画出测流断面的水道断面,如果再插补岸上的部分,就可以很方便地给出了我们水文站所需要的大断面图。大大节省了工作强度和时间,而且测量的精度和分辨率也是优于其他常规方法。

M9的后处理软件可以根据用户的需要,选择采用底跟踪测量船速的方法,计算断面的瞬时流量;也可以选择采用GPS测量船速的数据,计算断面的瞬时流量。对于走底河床的测量中,这种方法尤为重要;这也是声学多普勒测流规范中所要求的。M9自带的内置DGPS(或RTKGPS),可以很好地满足规范的要求。在这次测量中,我们安装了DGPS的配件,在输出流量成果中,分别采用了“底跟踪参考”和“GPS参考”的二种不同计算流量的方法,经过对磁偏角和周围磁场对仪器影响的修正(M9的软件可以方便地看到这些影响,并用非常简单的方法给予修正),得到的流量都是302 m3/s。充分表明了M9自带GPS的强大功能和优异的性能。

 

总 结



仙桃水文站的现场演示,达到了探索该仪器在长委系统范围内,利用缆道过河设施进行快速测流性能的目的。并再次证明了M9作为一款专门用于河道走航流量测验仪器,所表现出来的在高流速、低流速,或者浅水、深水等不同河道条件下的高测验精度、高稳定性以及操作的易用性。

按照多普勒规范的要求,本次演示共进行了二个测回、4个航次的测验,其平均流量值为302 m3/s,标准误差为0. 8 %,实测流量部分的百分比为76%。所以能够得到这样的成果,是归功于M9采用了可自动切换的多频测速系统,和采用自动切换的多种工作模式,采用了低频的专用垂直波束测量水深。

实测数据表明:采用M9进行走航测流,可以大大放宽多普勒规范中对船速的限制。这对于无论是洪水期间高流速时的抢测洪峰,或者在低流速的条件下不得不放慢船速的苛刻要求,都具有可实际操作的现实意义。

在此,再次感谢长委水文局和中游局对这次测流演示的支持!


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