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以微纳气泡示踪为基础的ADCP流速试验

  摘要:声学多普勒剖面流速仪(ADCP)设备在水文领域保有量大、应用广,但如何对其进行量值溯源,确保现场测量数据准确可靠是用户非常关注的问题。分析ADCP的测试现状,阐述ADCP的6个测试参数,分析出流速测试是核心;利用微纳气泡作为示踪粒子,尝试解决静止水体无反射粒子的问题,为ADCP流速测试提供支撑;以TRDI的WHR600-1型ADCP为例,说明ADCP流速测试过程和试验数据处理方法。得出微纳米气泡是ADCP拖曳水槽水跟踪测试较好的示踪物质,进而实现ADCP水跟踪流速测试。为拖曳水槽ADCP测试改造建设提供技术思路,并给出实验室测试建议。

  关键词:ADCP坐标系;拖曳水槽;水跟踪;微纳米气泡;测试

  1引言

  声学多普勒剖面流速仪(ADCP)是流速仪的一种,利用声学多普勒测速原理,采用矢量合成方法,测量流速的垂直剖面分布的仪器,测量一次可测得一个剖面上若干层水流速度的三维分量和绝对方向[1-3]。目前国内尚缺乏针对声学多普勒剖面流速仪的检定(校准)方法,如果采用直线明槽式检定方法则精度差,甚至无法进行检定。因此声学多普勒剖面流速仪多在出厂时采用比测方法检定,但比测检定需要野外进行,耗时耗力且精度不高。2000年3月美国地质勘探局(UnitedStatesGeologicaISurvey,简称USGS)在戴维泰勒船舶模型水槽采用播撒石灰粉的方法示踪,测试了2台SontekADP和3台TRDI-ADCP,对水跟踪和底跟踪速度进行了评价[4],但播撒石灰粉难以保证均匀,且污染水槽水体不便工程实践。2005年崔效松等在鄱阳湖区顺、逆流的流量同步测量中,将ADCP测量结果与传统流速仪法的测量结果进行对比分析[5],发现ADCP具有测量精度高、成果可靠和工作效率高等优点。2008年姚永熙阐述了ADCP流速参数检定校准的必要条件,提出了对现有水槽改造的建议,探讨了利用改造后水槽实现ADCP流速参数的可能性[6]。2018年刘艳平等给出了一种ADCP实验室测试方法,指出该实验室由水槽、气泡发生装置和自动化系统构成,简化了国标行标中ADCP的测试方法和设备需求;但ADCP的检测项目与对应检测方法涉及较少[7]。依据现行的《声学多普勒流速剖面仪》(GB/T24558-2009)[8]和《声学多普勒剖面仪检测方法》(HY/T102-2007)[9]对其进行检测,发现很难实施进行,原因是需要很苛刻实验条件,试验区和试验船很难符合标准的要求。2017年乔正明等ADCP检测检定方法主要有自身航行试验、同步比测试验和水槽拖车试验[10]。实践证明拖曳水槽实验是可靠有效的实验[11-12]。本文主要分析微纳米气泡示踪的拖曳水槽ADCP流速测试。

  2ADCP测试

  ADCP利用声学多普勒原理测量流速,是目前国内外测量多层剖面海流及河道流量的最有效方法之一。一般配有1~5个或9个换能器。水体中的浮游生物、泥沙颗粒与水融为一体随水流动,其速度即代表了水流速度。另外,还可以测量底跟踪速度、水深、方向和纵横摇,同时计算剖面流量。ADCP测试就是对其声性能、定向性能、纵横摇性能进行测试,声性能决定其水跟踪、底跟踪、测深性能(见图1)。水跟踪和底跟踪速度(也称流速)测试是ADCP测试的关键,水跟踪测试是ADCP测试的核心。ADCP测试其测量精度的重要保证。

  3ADCP流速测试

  ADCP流速测试离不开匀速拖曳水槽。包括静水槽、匀速检定车、纳米气泡发生装置和自动化控制系统[9],如图2所示。

  3.1ADCP的水跟踪测试

  近年来ADCP厂家和相关研究机构利用天然湖泊拖船或实验室拖曳水槽对其流速测量能力进行过诸多测试分析,前者的难点在于湖泊水体很难保证完全静止,后者的难点在于静止水体无反射粒子、数据信噪比差。有学者曾采用喷洒石灰水、播撒石英粉或花粉,尝试解决静止水体无反射粒子的问题,均未为取得满意效果。水跟踪的测试成功的关键在于探寻静止水体的反射粒子,要求该粒子能悬浮于静止水体,也就是粒子的密度要同静止水体一致,静止水体的密度随静止时间温度气压都有所变化。受微纳米气泡尺寸小、比表面积大、水中上升速度慢[13]等特点的启发,猜想微纳米气泡在水中扩散均匀是合适的反射粒子,这在本研究的多次实验中得到证实。本研究试验了多种曝气架的曝气效果(矩形、工字型和一字型),流速测试实验具体步骤如下:

  (1)预先曝气。曝气前进行ADCP流速测试,4波束信号质量较差回波强度差异较大,流速相关性自然较差,波束1、3、4相关性(计数)值均坏,是坏数据(见图3)。依据水体大小和曝气设备的数量,曝气时间不一样;曝气设备一定时,水体愈大,曝气时间愈久;水体固定不变,曝气设备愈多,曝气时间愈短。曝气10h,曝气500m3。

  (2)试前等待。试验前需要曝气后等待数小时。等待时间的多少主要取决于水体的多少和曝气时间的长短。等待微纳米气泡在水槽中扩散均匀,等待4h做水跟踪实验。

  (3)水槽曝气环境下(见图4)把ADCP固定于测量杆上,注意要2号波束朝前,由检定车拖曳沿水槽长度方向运动,通过把ADCP的不同水层的水跟踪速度和检定车测速轮的标准速度比较,完成对ADCP水跟踪测试,4波束回波强度差异较小信号质量较好,流速相关性比较好(见图5)。

  (4)在水槽曝气环境下,检定车低速拖曳ADCP往返运动,记录ADCP往返方向的水跟踪速度的方向值,并计算往返方向的水跟踪速度方向的平均值,再计算往返方向的水跟踪速度方向平均值的差值,其差值与180度比较,完成水跟踪速度方向的测试。

  3.2ADCP的底跟踪测试

  (1)在水槽环境下,将ADCP固定于检定车测杆上,为保证底跟踪测试与ADCP野外测验一致,需要3号波束朝前,由检定车拖曳沿水槽长度方向的行车轨道运动,获取ADCP的底跟踪速度和检定车测速轮的标准速度,将ADCP的底跟踪速度和检定车测速轮的标准速度比较,完成对ADCP底跟踪性能中底跟踪速度测试。

  (2)在水槽环境下,检定车低速拖曳ADCP往返运动,记录ADCP往返方向的底跟踪速度的方向值,并计算往返方向的底跟踪速度方向的平均值,再计算往返方向的底跟踪速度方向平均值的差值,其差值与180度比较完成底跟踪速度方向的检测。

  3.3水跟踪和底跟踪测试数据分析方法

  在实验室测试ADCP时,先要设置ADCP的工作模式、坐标系统、入水深、盲区、微单元大小和微单元数等参数。其他参数设置和ADCP流量测验时一样,这里主要介绍坐标系统。ADCP有4种坐标系统分别是波束坐标系统、仪器坐标系统、船坐标系统和地球坐标系统[10]。拖曳水槽测试时采用仪器系坐标系,由X(S)流速分量、Y(F)流速分量和Z(M)流速分量组成(见图6)。

  通过编制的软件采集每个测试速度点对应的仪器坐标下数据x,y,z,每个微单元的水跟踪速度和底跟踪速度按式(1)计算[14]。水跟踪(剖面)层流速V层按式(2)计算,就是同一层速度的平均值;每个测试速度点的水跟踪(剖面)流速按式(3)计算,也就是所有层速度的平均值。

  式中:v为微单元的剖面流速(m/s);x为微单元的剖面流速的x分量(m/s);y为微单元的剖面流速的y分量

  (m/s);V层为某层剖面流速(m/s);V为某检测速度点剖面流速(m/s);m为某检测速度点的采集数据个数;n为微断面的微单元个数。

  4研究实例

  4.1实验概况

  在长180m,宽7.5m,水深5.5m水槽,对TRDI的WHM300、WHS300、WHM600、WHR600-1、WHM1200、WHM1200、RIVRAY600ADCP进行多次安装试验,均取得较为满意的结果,其中WHM1200ADCP的最大剖面流速误差是3.56%,其余大部分速度点的剖面流速误差均小于1%(见表1)。本文主要以WHR600-1型600KADCP为例说明安装试验。安装时2号波束要朝前,野外流量测验时是3号波束朝前,但流量测验时船的前进方向与水流速度方向垂直,2号波束才是水流速度方向,从而检测水跟踪(剖面)流速时,安装仪器需要2号波束朝前,即检定车前进方向;检测底跟踪速度时,安装仪器需要3号波束朝前,因为测验时3号波束方向和底跟踪速度方向一致。设置ADCP工作参数如况下;分别以0.2m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、3.5m/s和4.0m/s的车速进行行车实验。每个检定速度点采集了30组数据。

  4.2实验数据

  原始数据按式(1)~(2)计算(见表2),按照式(3)统计ADCP的底跟踪速度和水跟踪(剖面)流速检测结果(见表3)。

  4.3实验数据分析

  由表1知WHM1200K-ADCP检测速度从0.5m/s到5.0m/s,底跟踪和水跟踪的最大绝对误差是0.013m/s和0.047m/s,最大相对误差是0.381%和3.516%;底跟踪速度最大误差是在3.5m/s,水跟踪(剖面)速度最大误差是在0.5m/s。1.0m/s~3.5m/s的检测速度点的剖面流速相对误差均小于0.678%,仅4.0m/s的剖面流速相对误差稍大是1.185%。国标(GB/T24558-2009)规定所有检测速度点需要采集3层数据,据表2和图7可以看出WHR600-1型ADCP0.2m/s~4.0m/s时剖面流速采集到3层数据。满足国标要求;低速测试时对声学反射体(微纳米气泡)的均匀度和稳定性要求更高。2层剖面流速误相对1层3层误差稍大,最大仅相差0.5%;3m/s检测速度点底跟踪速度误差最大达到0.298m/s。从上述分析知,数据处理时尽量不选最底一层的剖面流速,因为这层的数据受槽底边界影响较大。由表3和图8知WHR600-1型ADCP的检测速度从0.2m/s到4.0m/s,底跟踪和水跟踪的最大绝对误差是0.029m/s和0.010m/s,最大相对误差是0.963%和0.576%;底跟踪速度最大误差是在3.0m/s,水跟踪(剖面)速度最大相对误差是在0.2m/s;水跟踪(剖面)速度最大绝对误差是在2.5m/s。0.5m/s~4m/s的检测速度点的相对误差均小于0.4%,仅0.2m/s的底跟踪速度相对误差稍大是0.567%。综上所述,ADCP实验室其水跟踪速度和底跟踪速度的结果合理、可靠;从而证实实验室测试ADCP水跟踪、底跟踪方法合理稳定,是目前最有效的测试方法。

  5结论与建议

  5.1结论

  通过ADCP水跟踪、底跟踪的测试试验分析,可得如下结论:

  (1)试验结果证实目前微纳米气泡是静水槽AD-CP水跟踪测试较好示踪物质。

  (2)提出了实验室ADCP水跟踪测试时,仪器安装需2号波束朝前,底跟踪测试时3号波束朝前。

  (3)实现ADCP水跟踪、底跟踪的实验室测试,尤其是ADCP水跟踪实验室测试,解决了行业内多年未解决的问题。

  (4)为拖曳水槽实现ADCP检测改造建设,提供了技术思路。

  5.2建议

  (1)修订ADCP检测标准时,建议明确采用仪器坐标,以及ADCP主要工作参数,只有这样才能统一基准,不同仪器或者同一仪器不同多次测试才能比较分析。

  (2)按照测试为使用而测试原则,建议常规检测时,最高速度3.0m/s就可以,因为大于3.0m/s的流速使用较少。数据处理分析时,建议采用微断面平均流速与平均车速对比。

  (3)建议对纳米气泡在静水槽的存在状态、运动机理进行研究。

  参考文献:

  [1]姚永煕.水文仪器与水利自动化[M].南京:河海大学出版社,2001:97-98.

  [2]刘雅鸣.水利技术标准汇编水文卷水文测验[M].北京:中国水利水电出版社,2002:1102-1106.

  [3]林祚顶,朱春龙,余达征,等.水利现代化与水文新技术[M].

作者:韩继伟 邵军 符伟杰 赵士伟 毛春雷 房照娟 单位:水利部南京水利水文自动化研究所 水利部水文水资源监控工程技术研究中心 江苏省水文水资源勘测局泰州分局