采用聲學(xué)多普勒儀監(jiān)測流量

［英國］ J.伊莎貝爾 等

1 概述

英國西南郡縣水務(wù)公司(South West Water)擁有這兩座水電站的所有權(quán)，并負(fù)責(zé)該電站的調(diào)度操作。在達(dá)特姆爾(Dartmoor)高原山麓地區(qū)原有采礦點的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展成了現(xiàn)在的電站群。該電站群年發(fā)電量為4800kW·h，可滿足1700戶家庭的用電需求。20世紀(jì)30年代，為了充分利用泰維(Tavy)河的水資源，在瑪麗泰維礦區(qū)安裝了水力發(fā)電渦輪機(jī)。

德文郡具有悠久的發(fā)電歷史，其中奧克漢普頓(Okehampton)鎮(zhèn)和查格福德(Chagford)鎮(zhèn)是英國第一批主要供電區(qū)，它們分別于1888年和1891年開始供電。采礦業(yè)和紡織業(yè)的衰退，促使一些有魄力的實業(yè)家趁機(jī)利用礦區(qū)排水渠，即人工渠進(jìn)行發(fā)電。在此背景下，瑪麗泰維發(fā)電站應(yīng)運(yùn)而生。該電站是利用泰維河－本尼特(Bennetts)水庫人工引水渠上70.104 m的落差進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電量為660kW。

1932年，就在瑪麗泰維水電站試運(yùn)行不久，1934年又建成了第2座水電站。后建成的莫韋爾漢姆水電站從瑪麗泰維水電站下游的阿比堰(Abbey Weir)引水，水流沿一條擁有約200 a歷史的水渠流動，該水渠原本是煤炭、紡織、冶金及農(nóng)田廢水的排放渠道。莫韋爾漢姆水電站的建成，可為全國高壓輸電線網(wǎng)提供640kW的電力。

1936年，用電量的迅速增加，促使在瑪麗泰維礦區(qū)又修建了一座發(fā)電站，稱為2號水電站。2號水電站從泰維河河源附近的泰維谷地(Tavy Cleave)引水，水流沿另一條約有200多年歷史的水渠流入威爾水庫(Wheal Jewell)，其落差為 170.69 m，可供3臺650kW的水輪機(jī)發(fā)電。目前，瑪麗泰維水電站的總發(fā)電量已達(dá)2610kW。

2 流量監(jiān)測

對瑪麗泰維水電站進(jìn)行監(jiān)測的主要目標(biāo)是流量監(jiān)測，以實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的水流。英國西南郡縣水務(wù)公司通過從泰維河取水，來供給兩座水電站的發(fā)電用水，其取水量在取水許可及與環(huán)保部門簽署的營運(yùn)協(xié)議中已有明確規(guī)定。同時，在取水許可和營運(yùn)協(xié)議中，對各取水點的最大取水率及其他一些流量標(biāo)準(zhǔn)，如規(guī)定流量、剩余流量以及防止水質(zhì)污染的流量等，也作出了明確規(guī)定。

為了保證自然流程控制設(shè)施的操作與取水許可和營運(yùn)協(xié)議的規(guī)定相適應(yīng)，必需對兩座水電站取水的高質(zhì)量、高精度流量數(shù)據(jù)實施監(jiān)測。

2010年3月，為了準(zhǔn)確監(jiān)測126～4432 m3/h流速范圍內(nèi)淺水渠的流量，美國YSI水力分析儀有限公司(YSI Hydrodate Ltd)安裝了2臺聲學(xué)多普勒流量儀，即松特克亞爾古測量儀(SonTek Argonaut SW，SW)。這是一種功能齊全、深受好評的流量、流速和水位測量儀，主要用于測量水渠、管道及天然河流的流速變化狀況，并以此來推算流量。

瀝青混凝土中的集料是可以稱作是它的骨架，集料的質(zhì)量能夠決定混凝土的整體強(qiáng)度，對混凝土的支撐能力有重要的影響，在集料的質(zhì)量控制中首先應(yīng)該保證集料的外形上接近立方體，保證其有良好的穩(wěn)定性，另外由于細(xì)集料和粗集料有不同的用處，例如細(xì)集料是為了對粗集料中間的空隙進(jìn)行填充，因此還應(yīng)該對集料的體積大小進(jìn)行嚴(yán)格的把控。

在瑪麗泰維水電站選用了Argonaut SW進(jìn)行流量監(jiān)測，主要基于以下考慮:

(1)可監(jiān)測聲學(xué)上的雙向流速和雙向水位;

(2)便于維護(hù);

(3)耗能少;

(4)硬件設(shè)備安裝簡單;

(5)可實現(xiàn)實時自動監(jiān)測;

(6)所用儀器需要的自然率定歷時最短;

(7)最重要的是，在極低和極高水流條件下(從水深幾厘米到幾米)，均能監(jiān)測流速和推算流量。

考慮到以上諸因素，英國西南郡縣水務(wù)公司選用了Argonaut SW測量儀，以獲取準(zhǔn)確可靠的流量數(shù)據(jù)。

在水渠及與其類似的條件下，經(jīng)常會發(fā)生水位變化極小或者甚至不變，而流量卻有變化的現(xiàn)象。針對這種情況，傳統(tǒng)的流量關(guān)系曲線顯然已不再適用，此時需要對流速和水位進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測，也就是通常所說的流速指數(shù)法。在從瑪麗泰維引水的過程中，人工渠的水位主要受下游約束條件和控制閘門的影響。

為了使測量盡可能精確，并保證所監(jiān)測的流量滿足現(xiàn)狀要求，對2臺Argonaut SW測量儀的安裝位置進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選。第1臺SW儀安裝在瑪麗泰維1號電站的進(jìn)水口附近，第2臺則安裝在阿比堰進(jìn)水口處。

由于水位較低，2個監(jiān)測站的設(shè)備選擇顯得非常重要。經(jīng)分析研究，決定在水渠的底部安裝Argonaut SW測量儀，采用2條呈45°傾角的聲束來測量雙向流速，再通過位于中央的另一條聲束獲取準(zhǔn)確的水位信息。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何學(xué)，利用測得的流速和水位數(shù)據(jù)，即可推算出流量。

根據(jù)可測量的水流的變量(比如，借助于Argonaut SW測出的水位和流速)，運(yùn)用回歸分析法，該流速指數(shù)評估法即可推導(dǎo)出平均流速和面積指數(shù)。然后，將這些推導(dǎo)出的指數(shù)帶入Argonaut SW程序，以繼續(xù)推算和輸出計算結(jié)果。平均流速是指所監(jiān)測橫斷面范圍內(nèi)的平均水流速度，指標(biāo)流速則是由Argonaut SW測量儀所監(jiān)測流速的一部分。

2條人工水渠流道狀態(tài)維護(hù)良好，評估不會隨時間推移而發(fā)生顯著變化。為了驗證Argonaut SW測量儀的測量精度，需要在不同的流量條件下實施監(jiān)測，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入松特克評估軟件，即FlowPack軟件。FlowPack軟件是由伊利諾伊大學(xué)(University of Illinois)環(huán)境水文學(xué)和水利工程(EHHE)項目組開發(fā)的，其目的在于提供一套與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和美國地質(zhì)調(diào)查局(ISO/US GS)的標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的快速、健全、可靠的流量評估工具。采用FlowPack軟件的一個顯著優(yōu)點是:可以借助先進(jìn)的分析技術(shù)快速求解流速指數(shù)方程，同時，還能針對數(shù)據(jù)收集來幫助用戶做出合理有效的決定，以進(jìn)一步完善監(jiān)測結(jié)果。此外，還可以簡便地對多測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并能根據(jù)新監(jiān)測出的數(shù)據(jù)不斷地進(jìn)行更新。

針對用于瞬時流量監(jiān)測的新一代高精度聲學(xué)多普勒流量計，采用流量跟蹤器(FlowTracker)和河流監(jiān)測儀M9(RiverSurveyor M9)來對其連續(xù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行的驗證和校核。流量跟蹤器是一種水下測量儀，它可在水下2cm處實施監(jiān)測，從而成為如瑪麗泰維引水渠等諸多較小河流和水渠流量監(jiān)測的理想儀器。

M9河流監(jiān)測儀應(yīng)用于多音頻情況下對涉及詳細(xì)精確的水深、流速和流量數(shù)據(jù)的測量，它適用的最大水深是80 m，具有從淺水到極端條件的較大適用范圍。M9河流監(jiān)測儀可用于瑪麗泰維附近的較長河段，包括泰維河、高水位人工水渠和洪水流量級的監(jiān)測。

將Argonaut SW測量儀和流量跟蹤器所監(jiān)測到的測量數(shù)據(jù)完整地輸入FlowPack軟件，經(jīng)過簡單的幾步程序，便能夠很快完成全面分析，通過幾項統(tǒng)計數(shù)據(jù)來顯示FlowPack軟件產(chǎn)生的評估結(jié)果。結(jié)果表明，平均流速與指標(biāo)流速具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r2=0.985和0.992，平均流速的評估標(biāo)準(zhǔn)差較小，為 0.003 m/s。

采用FlowPack軟件，結(jié)合流速指數(shù)法，可對監(jiān)測站的流量監(jiān)測值進(jìn)行準(zhǔn)確地評估。該方法綜合了連續(xù)的流速監(jiān)測和準(zhǔn)確的水位監(jiān)測，從而能確保較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 發(fā)展前景

在進(jìn)水口處記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有助于英國西南郡縣水務(wù)公司對水流量作出合適的控制規(guī)劃。該公司表示，這些信息很有價值，通過這一系列的流量數(shù)據(jù)，可以了解進(jìn)水建筑物的狀況，并制定合理的改進(jìn)措施。而且根據(jù)這些數(shù)據(jù)，也能夠為環(huán)保部門提供進(jìn)水建筑物的相關(guān)信息。

實踐證明，Argonaut SW測量儀在泰維河水力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用非常成功。除現(xiàn)有數(shù)據(jù)源以外，它還能提供其他一些數(shù)據(jù)，以確保符合環(huán)保部門的操作協(xié)議及許可方面的要求。這些監(jiān)測站的連續(xù)流量數(shù)據(jù)記錄，對英國西南郡縣水務(wù)公司建立流量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫也很有幫助，這些寶貴的信息，可有力地促進(jìn)開展取水規(guī)劃方面的研究以及完善研究成果，以便最大效率地利用水資源。

英國西南郡縣水務(wù)公司可能會再安裝1臺Argonaut SW測量儀，以實現(xiàn)對3座進(jìn)水建筑物進(jìn)行流量監(jiān)測。

根據(jù)英國西南郡縣水務(wù)公司的規(guī)劃，到2015年，要實現(xiàn)可再生能源發(fā)電量翻一番;到2050年，努力實現(xiàn)可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的50%。由Argonaut SW測量儀所獲得的監(jiān)測信息，將為實現(xiàn)該目標(biāo)提供技術(shù)支持。