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新一代聲學(xué)多普勒水流剖面儀M9 在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用（三）
案例三：
都江堰水文站位于四川省的岷江干流上，也是我國最早的水文站之一。該站的測流斷面，河寬僅60m，而常年的斷面平均流速在2～3m/s，常規(guī)采用纜道測流。2009年7月30日，在都江堰水文站用M9進(jìn)行了一次演示?？紤]到在流速較大，而且還有不小的含沙量情況下，底部河床可能會產(chǎn)生一定的走底現(xiàn)象。因此，本次測流采用了RTK GPS作航跡和船速的參考，以避免因?yàn)楹哟驳淖叩?，造成用底跟蹤作參考的測驗(yàn)誤差。演示采用無線電臺的數(shù)據(jù)遙測方式，電臺的終端安放在岸上，利用纜道設(shè)備作為測流過河的工具，拖曳M9的三體船橫跨河道完成流量的測驗(yàn)（如以下的照片所示）。
整個(gè)測驗(yàn)自12:13開始，12:45結(jié)束，共32分鐘，施測了三個(gè)測回、6個(gè)測次。每個(gè)測次平均3分鐘左右。實(shí)測成果如下表所示：6次平均流量為383m3/s，相對誤差為0.9%。說明儀器的重復(fù)性非常好，大大超過以往使用老一代多普勒流速儀的測量精度。這是采用了一些先進(jìn)的措施和配置所帶來的成果。
從實(shí)測數(shù)據(jù)分析，在這次測量中，斷面平均流速為2.53 m/s，最大垂線平均流速為4.15 m/s，而最大水面流速近?6m/s。這樣的流速已經(jīng)超過了三體船可以承受的最大流速4.5m/s的技術(shù)指標(biāo)。在實(shí)際測量過程中，我們可以看到三體船會隨水流的波浪晃動(dòng)，但仍然可以平穩(wěn)地測流和得到可靠的數(shù)據(jù)。
都江堰水文站的高速和較大的含沙量，必然會存在著走底的現(xiàn)象。M9的實(shí)測數(shù)據(jù)再一次地證明了，采用DGPS或RTK GPS是解決河床因走底引起多普勒流速儀測流流量偏小一個(gè)有效措施。
案例四：
廣西玉林的大湟江口水文站是國家重要水文站，設(shè)立于1951年，位于廣西桂平市江口鎮(zhèn)圩潯江河段的左岸，集水面積為289418k㎡，是珠江流域西江水系潯江河段的重要控制站。常年河寬約650m，水深約35m，斷面平均流速約1m/s。該站配有一臺走航式的多普勒流速儀，作為常規(guī)的流量測驗(yàn)。但是，在洪水期間，會有較大的含沙量。據(jù)測站技術(shù)人員反映，在洪水時(shí)，又無GPS的情況下，用走航式多普勒流速儀測量，實(shí)測的流量會偏小；這表明河床存在著走底現(xiàn)象。
2009年6月30日，應(yīng)廣西玉林水文局邀請，M9在大湟江口水文站的測流斷面上進(jìn)行了演示。出于比較的目的，該站還用另一臺多普勒流速儀進(jìn)行了同步的比測，分別懸掛和拖曳在測船的兩側(cè)，如右下方照片所示，黃色三體船M9安放在右船舷。一共測量了二個(gè)測回共4個(gè)航次。左下方的比較表是當(dāng)時(shí)實(shí)測和比較的成果。從表中可以看到，M9的實(shí)測流量與流量過程線相比，誤差僅為1.1%，而且4次測量的流量值，重復(fù)性也是好于同類的多普勒流速儀。
案例五：
除了高流速給水文測驗(yàn)帶來困難，同樣，對于低流速，特別是斷面平均流速小于0.02m/s條件下，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀或者早期的多普勒流速儀都是難于解決的問題。而對于M9/S5，由于在低速時(shí)，自動(dòng)會采用脈沖相干工作模式，采樣頻率最高可達(dá)70Hz，采樣單元最小可達(dá)0.02m。最大程度上解決了低速的脈動(dòng)影響和多普勒本身噪聲帶來的儀器測量誤差。
解決低流速的流量測驗(yàn)問題，對于上、下游受到水利工程影響的測站，以及越來越多的水資源評價(jià)的需要，有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
2011年9月15日，我們在湖北省長軒嶺水文站進(jìn)行了一次演示。當(dāng)時(shí)，水面河寬約154 m、最大水深約4.4m、最小水深約0.6m、斷面平均流速約0.005m/s、斷面面積約400m2，過水?dāng)嗝媪髁考s2m3/s。在這樣的條件下，通常很難采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行測驗(yàn)。同樣，對于早期生產(chǎn)的多普勒流速儀，由于受到低速性能的制約，也會帶來很大的測驗(yàn)誤差。
下表是實(shí)測流量匯總表。按照多普勒規(guī)范的要求，本次演示共進(jìn)行了二個(gè)測回、4個(gè)航次的測驗(yàn)，其平均流量值(Mean Q)為2.10m3/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差(Std Dev)為0.103 ?m3/s，?誤差(變異系數(shù)COV)為4.9 %；?實(shí)測流量部分的百分比為76.8%。所以能夠得到這樣的成果，是歸功于M9采用了可自動(dòng)切換的多頻測速系統(tǒng)，和采用自動(dòng)切換的多種工作模式，采用了低頻的專用垂直波束測量水深。
總結(jié)
美國SonTek公司2009年投放市場的走航式聲學(xué)多普勒水流剖面儀M9，是一款專為河流流量測驗(yàn)研制的系統(tǒng)。自正式進(jìn)入國際市場以來，10余年中，不斷地改進(jìn)和升級，性能越來越完美，功能越來越強(qiáng)大。M9結(jié)合了目前世界上先進(jìn)的多普勒流速剖面測流技術(shù)，突破原先的設(shè)計(jì)框框，采用多頻的探頭、智能的脈沖功能、內(nèi)置的無線通訊和獨(dú)特的GPS技術(shù)，而成為當(dāng)今性價(jià)比最高的新一代儀器。M9系統(tǒng)帶有可在計(jì)算機(jī)上使用的基于Windows平臺的功能強(qiáng)大的操作和數(shù)據(jù)后處理軟件，高精度以及易用性，讓用戶放心地測量，而不必因?yàn)榫唧w的河流條件而改變?nèi)魏螠y量前的設(shè)置。即使惡劣的環(huán)境下也不再需要增添一些類似于外置的GPS等設(shè)備，而可獨(dú)立地完成斷面的測驗(yàn)。這些優(yōu)異的性能，經(jīng)過我國1000多個(gè)用戶的實(shí)踐和在各種不同環(huán)境和條件的河道中試驗(yàn)和演示中得到了證實(shí)。
參考文獻(xiàn)：
1. 水利部河流流量測驗(yàn)規(guī)范（GB50179-93）北京：計(jì)劃出版社，1994.2.
2. ?John Sloat,SonTek/YSI Inc. ?SonTek RiverSurveyorM9 Discharge Measurements on the Yangtze River near Wuhan,China
