基于声学多普勒原理的流量测验技术已得到普遍重视,慢慢的变多的水文站,特别是复杂流态条件下的水文站在逐步推广使用走航式ADCP进行流量测验。但目前仍有较多的流量快速测验技术有待研究。以下简要介绍几种
(一)超声波时差法:工作原理是根据声波在静水中传播时,在水的温度、密度、盐度一定时,声速是恒定的,如果水是流动的,那么声波顺水传播的速度为声速加上水速,逆水时为声速减去水速。利用这个原理,在测流断面上下游某一水层两岸各安装一声学探头,与水流呈45角,测出顺流、逆流时两探头间声波传播的时间差,再根据二探头间距离和当时水中声速(静水)就可计算出断面上这一水层的平均流速。进而推算出断面平均流速和断面流量,以实现流量的快速测量。若需要测定若干水深的流速,例如在间隙性发生上游来水的感潮河段,可以在断面上安装多套发射和接收装置。
超声波时差法仅适用于中速和低含沙量的水中。安装探头的河岸要求比较陡直稳定,不易淤积。国外较多的中小河流水文站流量在线监测大多数都使用这种方法。国内在深圳河出口控制断面(水流受潮汐影响)已使用多年,效果较好。取得了复杂流态下的连续观测资料,为深圳河的治理提供了大量数据。在江西、江苏、广东等省均有应用。
1、点流速仪:探头很小,非常适用于涉水测验。也具有长时间运行、自动测量和自动存储数据等功能,国外巡测使用较多。
水平式声学多普勒(如H-ADCP)流速仪利用声学多普勒原理测量流速。通常水平式声学多普勒流速仪安装在河流或渠道的岸边,探头上的声学换能器发出声波脉冲。同时接收各时间的回波,水平发射波束涵盖部分或整个宽度的水体,由回波时间的不同,判别相应测点离探头的距离。对每一回波的多普勒频移进行计算,得到探测水层各测点的流速分布,这样实时测量一个水层的流速分布。利用水平式声学多普勒流速仪提供的流速数据及率定好的水平剖面流速与断面平均流速的关系模型实时计算河流或渠道的流量。
三峡水库蓄水发电后,其出库水文站黄陵庙的水位流量关系受三峡水库调度和葛洲坝水库反调节的双重影响,水位流量关系复杂,为了能满足水库实时调度对水情的需要,引进了一套300KHZ的H-ADCP,效果较好。为避免探头受水生物影响,国外已应用能被穿透的玻璃钢罩予以保护。
座底(或浮标)式代表线法多普勒测流是将探头安装在测流断面某一处(或几处)流速有代表性的垂线河底(或水面),换能器向上(或下)方发射声波,测得探头上(或下)方这一垂线上的流速分布,同时测得水位。根据代表线流速与断面平均流速的关系模型推算断面平均流速,进而计算断面流量。
长江口徐六泾水文站,测流断面的形态及附近的河床边界条件复杂,江面宽,风浪大,加上潮汐的作用,使得流速沿断面的分布极为复杂,测验困难。即便采用走航式ADCP测流,也需要几条测船同时测流方可完成全潮测验。采用已建2号平台、座底式潮流数据自动系统等6条代表线以及走航式ADCP相结合的方案,建立潮流要素线面关系,达到资料整编要求,基本实现了在线自动监测潮流量。
在小河浅水区的走航式测流试验我局尚未开展,不利于指导生产实际。特别是用缆道作为牵引设备的走航式试验,可解决缆道站的快速测流问题。
电波流速仪也是一种利用多普勒原理的测速仪器,但使用电磁波(频率高达10GHz,属微波波段)。使用电波流速仪属于非接触式测量,很适合桥测、巡测。当发生洪水时,测船、缆道都难以用于测速,这时如果有合适的桥梁可通过,使用电波流速仪来代替浮标测流将是最佳的选择。目前,日本和韩国生产并使用一定的电波流速仪。日本在一座桥上安装10台套电波流速仪进行流量在线监测。
电磁流速仪是通过在传感器周围水域产生一个电磁场,并把水体作为一种导体来测定流速的。仪器在传感器电极上测得的电压与磁场平面垂直方向的流速成比例。测得的是河段平均流速,且适用于很规范的小河,使用局限性大,价格也高。绝大多数国家不使用这种装置。
紧凑的点流速地磁式流速仪相当牢固,没有可拆部件。仪器既可在定期巡测中按便携方式使用,也能安装在一个固定测点进行永久性连续使用。这些仪器所遇到的问题包括电极的赃污和区域内地磁场的干扰等,价格也高。
原理和电波流速仪类似,如果水较透明,可测得水中某一点流速。它测速快、精度高,可测得流速分布,数据全部自动化处理。但价格非常昂贵,目前大多数都用在实验室中的水力试验测速。
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