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淺議幾種新型儀器在水文測驗中的應(yīng)用

文檔作者：杜曼·木拉提汗，馬哈提·穆拉提別克文檔來源：新疆阿勒泰水文勘測局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月27日
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2017年第2期(總第137期)
紅i夏與子釷
ENERGY AND ENERGY CONSERVAT|ON 2017年2月
淺議幾種新型儀器在水文測驗中的應(yīng)用
杜曼·木拉提汗，馬哈提·穆拉提別克
(新疆阿勒泰水文勘測局，新疆阿勒泰836500)
摘要：就新型儀器在流速觀測、水位觀測、波浪、含沙量分析、泥沙級配分析等方面的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為類似
研究提供借鑒指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：新型儀器；水文測驗；應(yīng)用
中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095—0802一(2017)02—0094—02
Discussion on the Application of Several New Types of Instruments in Hydrologic Survey
Duman·Mulatihan．Mahati·Mulatibieke
(Altay Hydrological Survey Bureau of Xinjiang Province，Altay 836500，Xinjiang，China)
Abstract：The application of new instruments in the observation of flow velocity，water level and wave and the analysis of sediment
concentration and sediment grading were discussed in this paper SO as to provide reference for similar study．
Key words：new instruments；hydrologic survey；application
O引言
在進(jìn)行河流演變規(guī)律研究過程中，快速、準(zhǔn)確獲
取高精度水文資料是基礎(chǔ)性工作，在傳統(tǒng)的水文測驗
中多依靠人工操作獲取數(shù)據(jù)，費(fèi)時費(fèi)力、后續(xù)處理繁
瑣且數(shù)據(jù)精度不高【1】。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化
高精度、高分辨率的測量儀器逐漸運(yùn)用于水文測流，
這些新型水文儀器在流量測驗中發(fā)揮著越來越重要的
作用，對于提高測量的安全性、精確度意義重大，為
水文測驗工作領(lǐng)域帶來巨大變革?；诖?，本文針對
不同的水文測驗項目對新型儀器的工作原理、優(yōu)勢及
應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)探討。
1流速觀測
在進(jìn)行流速傳統(tǒng)觀測時，一般在河道斷面進(jìn)行多
垂線布設(shè)，在不同深度施放流速儀以進(jìn)行流速測定，
傳統(tǒng)觀測方法受到有限測點(diǎn)的限制，數(shù)據(jù)獲取及處理
難度較大。先進(jìn)聲學(xué)儀器(Acoustic Doppler Cuttent
Profilers，ADCP)的應(yīng)用可以避免上述問題的出現(xiàn)。
ADCP的工作原理是基于聲學(xué)多普勒效應(yīng)，通過換能器
發(fā)射脈沖，脈沖在碰到水中懸浮物后產(chǎn)生散射回波信
號，后經(jīng)ADCP儀器接收，而該回波信號會與漂移懸浮
物所不斷發(fā)射的信號之間出現(xiàn)頻差，即所謂的多普勒
頻移[21，根據(jù)此頻移取值的正負(fù)及大小，就可以計算出
懸浮物的流速及流向，公式如下：
Fd=COSa·FV／C， (1)
式(1)中，n為多普勒頻移，Hz；助聲波頻率，Hz；V
為懸浮物的移動速度，km／h；Ⅱ為移動方向與入射波方
向的夾角，。；c為聲波傳播速度，km／h。
收稿日期：2016—08—30
第一作者簡介：杜曼·木拉提汗，1978年生，男，新疆阿勒泰人，
2008年畢業(yè)于新疆大學(xué)水政與水資源管理專業(yè)，工程師。
·94·
ADCP作為當(dāng)前較為先進(jìn)的測流儀器可以提高測量
速度(采樣頻率最快可達(dá)15 Hz)與時空分辨率，不干
擾水體的三維流速信息的獲得使斷面同步流速觀測成
為可能，極大提高了流速觀測的精準(zhǔn)度和工作效率，
尤其適合漂浮物少、河床沖淤變化小、觀測任務(wù)重的
測站。
2水位觀測
進(jìn)行水位人工觀測工作量大且容易受到天氣和風(fēng)
浪等外界因素的影響而出現(xiàn)誤差，而自計式水位觀測
儀器的使用大大提高了水位觀測的精準(zhǔn)度與效率。當(dāng)
前國內(nèi)使用的自計式水位觀測儀主要有三種：浮子式
觀測儀、壓力水位計和超聲波水位計。浮子式水位計
的工作原理是利用浮子進(jìn)行水位感應(yīng)，在水位觀測中，
感應(yīng)用浮子測井會因為泥沙淤積在造成感應(yīng)滯后，故
需定期清淤。壓力水位計的工作原理是測量傳感器部
位的靜壓水力并將其轉(zhuǎn)換成水位，所以水位觀測值的
精確度直接受靜壓水力的影響。超聲波水位計則是通
過利用超聲波從發(fā)射至水面到反射回來的時間間隔，
根據(jù)聲速進(jìn)行之間距離的測算即為水位觀測值，由于
超聲波水位計完全利用聲波進(jìn)行測量，所以測量結(jié)果
及準(zhǔn)確度不會受漂浮物撞擊或堵塞等影響。三種水位
計故障停記時間與工作保證率對比見表1。
表1 水位計故障停記時間與工作保證率
JY一10型SSAl一1 HCJ一1型
儀器型號
(壓力式) (聲學(xué)) (浮子式)
使用測站塔克什肯富蘊(yùn)阿勒泰青河布爾津
停記時間
1 841 0 757 lll 10
S
工作保證率
89．5 100 95．7 99．4 99．．9
％
注：工作保證率=工作時間／2 a日歷時
萬方數(shù)據(jù)
2017年第2期杜曼·木拉提汗，等：淺議幾種新型儀器在水文測驗中的應(yīng)用2017年2月
3波浪
波浪的觀測與研究對海洋開發(fā)、交通運(yùn)輸、航海
等領(lǐng)域均有積極貢獻(xiàn)，傳統(tǒng)的目測法受到光線及天氣
條件影響較大而缺乏準(zhǔn)確性與適用性，當(dāng)前已很少采
用，采用較多的波浪觀測方法有雷達(dá)測波法、電測法、
光學(xué)測波法、聲學(xué)測波法等。
3．1壓力式測波儀
壓力式測波儀的工作原理為線性波理論，它可以通
過高分辨率傳感器進(jìn)行壓力波動的測量，得到波面與波
動壓力之間的關(guān)系，壓力隨時間變化的函數(shù)關(guān)系式為：
只￡)甲?！蝐osk(d+z)／coskd·cos(kd-tot)， (2)
．S勘=Iv。gcosk(d+z)／coskd]2。S期， (3)
式(2)～式(3)中，z為波深，am；忌為波數(shù)，1／cm；∞為波
浪圓頻率，rad／s；A為表面波自由振動幅度，mm／s；P。
為水密度，g／cm3；d為水深，cm；Js潮為壓力譜，N／cm2；
s翩為波面譜，m2／s；g為重力加速度，“s2；心)為波動
壓力聯(lián)于時間的函數(shù)；￡為觀測時間，S。
3．2先進(jìn)聲學(xué)儀器
通過聲學(xué)原理進(jìn)行波浪測量的原理是基于矢量合
成方法，將先進(jìn)聲學(xué)儀器(ADCP)置于水底并在水上
進(jìn)行觀測，可以得到不同水位流速分量的具體數(shù)值，
同時在高精度壓力傳感器共同作用下，可以準(zhǔn)確得出
靠近水面的波浪運(yùn)動數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，由ADCP儀器所
測得的波高、周期等波浪參數(shù)準(zhǔn)確而可靠。但是這種
測波方法也存在缺陷，如壓力波與表面波之間的具體
關(guān)系仍處于理論研究階段，缺乏現(xiàn)實的數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)
致由此確定的表面波的精準(zhǔn)度仍受到各種質(zhì)疑。
4含沙量分析
4．1光學(xué)后向散射濁度儀
正確測定含沙量有助于準(zhǔn)確模擬土壤侵蝕的動力
過程，科學(xué)制定水土流失治理決策，根據(jù)測量原理不
同，含沙量的測量方法較多，傳統(tǒng)的測量方法都是現(xiàn)
場水樣取樣，在實驗室采用烘干法或比重法進(jìn)行含沙
量測量，方法復(fù)雜、效率低且缺乏連續(xù)性，為了提高
測量效率可以將一系列新型測量儀器用于含沙量測量。
如利用光學(xué)后向散射原理的光學(xué)后向散射濁度儀(OBS)，
可以通過接收紅外輻射散射量進(jìn)行懸浮物質(zhì)的監(jiān)測，
這種新型儀器可以連續(xù)測量，且測量結(jié)果排除了光線
和溫度的不利影響，精確度高p1。
OBS的工作原理如圖1所示，紅外傳感器是儀器的核
心，主要進(jìn)行紅外線的發(fā)射和接收，紅外線經(jīng)過水體懸
浮物散射后由紅外傳感器接收，模擬散射信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)
換器被成功轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號
采集與存儲?？梢奜BS所測量的是濁度而非含沙量，故必
須通過校準(zhǔn)實驗進(jìn)行濁度與濃度轉(zhuǎn)化，以獲取含沙量數(shù)
值。轉(zhuǎn)化試驗一般包括現(xiàn)場標(biāo)定和室內(nèi)標(biāo)定兩種。
4．2先進(jìn)聲學(xué)儀器
運(yùn)用聲學(xué)儀器(ADCP)既可以獲取流蘇剖面三維
圖1 OBS3A濁度計原理框圖
數(shù)據(jù)，又可以獲得濁度及含沙量數(shù)據(jù)信息，測量結(jié)果
精度較高，可以用下式表示含沙量與ADCP后向散射強(qiáng)
度的關(guān)系：
lgC=k+O．1pE。， (4)
式(4)中，C為含沙量，kg／m；Ei為ADCP后向散射強(qiáng)度，
Lux；k、』B為反映ADCP儀器特性及背景參數(shù)。
光學(xué)后向散射濁度儀與聲學(xué)儀器(ADCP)兩種方
法相比，ADCP使用方便，目前已在許多地區(qū)得到廣泛
應(yīng)用，但是對于水動力條件復(fù)雜且泥沙含量變化較大
的區(qū)域，后向散射強(qiáng)度與含沙量之間的關(guān)系不易獲得；
ADCP數(shù)據(jù)量非常大，必須經(jīng)專人進(jìn)行編程處理才能得
到有用的數(shù)據(jù)關(guān)系。
5泥沙級配分析
泥沙由不同粒徑的顆粒組成，為了研究泥沙運(yùn)動
規(guī)律并為工程建設(shè)服務(wù)，需要了解泥沙顆粒分布狀況
及其特征值，通常是將泥沙取樣帶回室內(nèi)，通過篩分
法、比重計法及吸光法等方法進(jìn)行顆粒分析，計算出泥
沙樣品各粒徑質(zhì)量，進(jìn)而求得某類粒徑沙重百分比。
與傳統(tǒng)方法相比，激光粒度儀所需樣品少、測量
精確，方便快捷，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛(見表2)。激光粒
度儀依據(jù)激光與泥沙顆粒之間相互作用的原理，單色
光穿透顆粒發(fā)生光的衍射，通過凸透鏡匯聚在探測器
位置進(jìn)行記錄，衍射光的強(qiáng)度I(0)與泥沙顆粒粒徑存在
函數(shù)關(guān)系：
1 r∞
“D)=百1 I，RZn(R)j12(OKR)dR， (5)
U J
K=2"rr／A， (6)
式(5)～式(6)中，D為散射角度，。；R為泥沙粒徑，mm；
n(R1為顆粒粒徑函數(shù)；A為激光波長，la．m；^為第一型
貝葉斯函數(shù)；積為無限微小的月的增量，mm；K為角速
度，rad／s。
表2激光粒度儀法與傳統(tǒng)方法的比較
傳統(tǒng)方法
方法激光粒度儀法
篩析沉降法
米氏理論一弗朗霍夫顆粒通過一定尺寸
原理斯托克斯定律
理論的篩孔
測試范圍0．02斗m一2 ooo斗m >O．063 lTlm 10 g >30 g
所需時間3 min～5 min l h。2 h l d～2 d
兩類測驗方法由于原理和所用儀器不同，測量結(jié)
果之間存在差異，但是激光粒度儀檢測結(jié)果和傳統(tǒng)法
(下轉(zhuǎn)167頁)
·95·
萬方數(shù)據(jù)
2017年第2期楊新宜：變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機(jī)電工程中的應(yīng)用實踐2017年2月
警星耋二而昌彗寥妻耋耋要是銎善意要多停止過程中隨著技術(shù)的不斷發(fā)展、變頻技術(shù)的不斷普及和應(yīng)
堡竽孽；璺。。堡毫『j翟型冀登!望曼!堡犁用率。用，蓮秉基；景≯祝蓋美薔弄菇票鬲妄簇蓑裝箱茅
2。3耋．謄：鱉車套攥李婁罌至芝量粵磬皂詈轂言曼，曼要¨堡^。堊．}董、空；墼。翟山墨、苧、堡。．o藥罕美藩赫豢蓑?集。菊菜覆籪甬蓮麓薔豢：蒜蒹囊客薟蓋赫羞?！?，窖卅藁謠尋霰薪算軌某蓮釜：采“：爺
皇虧工些蓑婁奎罷罾掣Σ簍慧蜜要魯譬璧囂鑾奎老些瑙南蕕纂設(shè)窯磊箍角薯囂-蓑磊聶某拓舅=葫翥蓑萊：
擎耄-銎璺璧考要墨翌釜鎏箋堡簍璺機(jī)肇簍票查堡萼磊爺謹(jǐn)磊螽量茗釜吳晶葡￡了鞴嶄并趨力高茹籬壽
笈惹空碧銎鑒墨≥彎簍熹鍪塑過彗!，至要差魯婪全篇爭艽篆蕞蕃萎荔菝某品薪堯箕箬箍蘭萋葛霸簍薔受
給煤礦風(fēng)機(jī)造成不必要的磨損，同時，不同位置需要三二；篷≯“一”、“1?“?～一?“一1?“?！?、“
曼裂竇氣堊蓼當(dāng)苧鑾鎏魁二簍嬰磐于王籮蕊查。心1翥詈鷥翥萎磊麓言等量篙技術(shù)的應(yīng)用研引¨1科技
銎墼段：害鼉要節(jié)罌亭進(jìn)簪孳行摯碧中會設(shè)差上限和[5]舌。。岡i；釜菖蓋聶巢磊淼礦機(jī)電工程中的應(yīng)用實踐
下限，如果交流電機(jī)在工作過程中超過了空氣壓縮機(jī)。。?．電T享裊萊與軟件三霾，。20lj，；；；f采12孟ljl．’一?一
在樣品分組、粒度中值粒徑及平均粒徑等參數(shù)之間存
在很好的線性關(guān)系，結(jié)果之間是可以轉(zhuǎn)換。
6結(jié)語
水文水資源實時監(jiān)測技術(shù)亟待加強(qiáng)與完善，加強(qiáng)
水文水資源監(jiān)測的主要方法是在各個流域測站(包括
自動測站、巡測站、駐測站)配備先進(jìn)的測量儀器，
進(jìn)行流量、水位、降水、含沙量、泥沙級配等基本項
目的監(jiān)測【4]。當(dāng)前阿勒泰地區(qū)絕大多數(shù)測站基本實現(xiàn)了
水位與降水的自動觀測，但流量(流速)及含沙量、
泥沙級配等自動測量仍處于探索階段，需要相關(guān)工作
者不斷改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)：
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(責(zé)任編輯：季鑫】
·167·

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