時差式超聲波流量計(jì)在山區(qū)性河道的應(yīng)用

白炳鋒，林湘如，程 鵬

(溫州市水文站，浙江溫州325000)

時差式超聲波流量計(jì)在山區(qū)性河道的應(yīng)用

白炳鋒，林湘如，程 鵬

(溫州市水文站，浙江溫州325000)

河道流量測量是水文工作的重要組成部分，文章運(yùn)用AFFRA DX流量計(jì)測量浙江省平陽縣鰲江埭頭水文站河道斷面流量，與傳統(tǒng)水文測驗(yàn)方法建立的單一關(guān)系曲線為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比測檢定，驗(yàn)證時差式超聲波法測流法在山區(qū)性河道測流的精確性及實(shí)用性。

山區(qū)性;測流;超聲波流量計(jì);時差法

山區(qū)性河道斷面形態(tài)基本都是不規(guī)則的，并且由于河流的沖刷，河道斷面形態(tài)往往也不是固定的。近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及聲楔材料等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利等多個部門，超聲波測流計(jì)正日趨成為測流工作的首選工具［1］。常用超聲波測流原理有傳播速度差法、多普勒法、速度偏移法、噪聲法、相關(guān)法、空間過濾法等，其中傳播速度差法測量精度高，受干擾小，是目前普遍采用的方法。傳播速度法根據(jù)計(jì)算方法不同可分為時差法、頻差法和相差法［2］。AFFRA DX流量計(jì)屬于時差式超聲波流量計(jì)，本文運(yùn)用AFFRA DX流量計(jì)測量浙江省平陽縣鰲江埭頭站斷面流量，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀施測流量所建立的單一關(guān)系曲線為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比測檢定，分析驗(yàn)證時差法超聲波測流法在山區(qū)性河道的實(shí)用性。

1 測流原理

1.1 安裝條件

測流裝置一般由1對或多對流速換能器以及1個水位換能器構(gòu)成。采用多少對換能器，一般根據(jù)現(xiàn)場條件(水位變化等)來確定。

每對流速換能器安裝時，與流道的軸線成一個角度，見圖1。這個角度一般為 35°～70°均可，45°為最佳角度，但由于一般受現(xiàn)場條件的限制，60°～65°的安裝角為最常用的安裝角度。

1.2 流速測量原理

AFFRA DX流量計(jì)屬于時差式超聲波流量計(jì)，它是通過測量被測水流的流速和水位(確定河道有效面積)來計(jì)算流量的，水位由超聲波水位換能器測量。流速由超聲波流速換能器構(gòu)成的測量聲路來測量。聲路多少由被測水流條件和要求的測量精度決定［3］。

超聲波流量測量系統(tǒng)主要采用時差法測量流速，如圖1所示，在上下游分別布置有2只換能器P1和P2。其間距為L，流體流速為V，C為超聲波在靜水中的聲速［4］。T2為超聲波沿水流方向傳播所經(jīng)歷的時間(正向傳播時間)，T1為逆水流向傳播所經(jīng)歷的時間(逆向傳播時間)。

圖1 流速測量原理示意圖

正、逆向傳播時間可以表示為:

式中:V為流體速度;L為聲路長;θ為聲波路徑與流向的夾角;C為靜水中的聲速。

由上述兩式可以得到該聲路上的線平均流速:

1.3 河道流量測量原理

對于渠道或河道，水中不同高程處的流態(tài)分布是不均勻的，為了提高測量精度一般采用多聲路布置方式，如圖2所示。

在測量流速同時還需要測量水位量，然后用測得的流速對有效斷面進(jìn)行積分，即可得到通過測量斷面的流量:

流量計(jì)算公式為:

式中:Q為渠道斷面總流量;QT為渠道頂層流量;QM為渠道中間各層流量;QB為渠道底層流量。

圖2 明渠中多聲路布置、積分原理示意圖

如圖2所示，QT、QM和QB又分別由下面各式計(jì)算求得:

式中:VS為水面表層流速，利用插值法獲取。

以四聲路為例，當(dāng)H-h4＜H4-h3時，

式中:V4為最上層工作聲路測得的流速;Vi為第i聲路測得的流速;V1為最下層工作聲路測得的流速;H為當(dāng)前水位，為超聲波水位計(jì)測量得到的水位值;KT為渠道表層流速系數(shù);KB為渠底流速系數(shù);h4為最上層工作聲路高程(四聲路而言);hi為第i聲路高程;h1為最下層工作聲路高程;h0為渠底高程;W4為最上層工作聲路處的渠寬(四聲路而言);WT為渠道水流表層處的寬度;W1為最下層工作聲路處的渠寬;WB為渠底寬度;Wb為渠底寬度;KB、KT為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，KB的取值為0～1間的數(shù)值;KT為0～1間的數(shù)值，根據(jù)長期的流量測量經(jīng)驗(yàn)，一般KB=0.85，KT=0.1。

2 工程實(shí)例

2.1 測站概況

平陽縣埭頭水文站是鰲江北港干流的主要控制站，集水面積346 km2，干流長度28.4 km，流域平均寬度12 km，距河口27 km。測驗(yàn)河段上下游均有急灘，控制良好。多年平均降水量2 055.0 mm，每年的4月中旬—10月中旬為汛期，期間降雨占全年75%以上;現(xiàn)有測驗(yàn)項(xiàng)目包括流量、泥沙、雨量、水位、水溫、水質(zhì)等;主要負(fù)責(zé)收集、分析、整編縣境內(nèi)的水文資料，代辦站管理與遙測儀器維護(hù)，以及向各級政府、防汛部門提供及時準(zhǔn)確的水情情報(bào)預(yù)報(bào)信息［5］。

2.2 測流斷面基本情況

基本測流斷面水面寬100～200 m，斷面平均水深1.50 m以上，平均流速范圍0.003～5.0 m/s。附大斷面圖見圖3。

圖3 大斷面圖

2.3 對比分析

參照有關(guān)水文測驗(yàn)方法，以轉(zhuǎn)子流速儀施測流量所建立的單一關(guān)系曲線為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比測檢定。

時差法測得的是一個或多個水層的全剖面平均流速，用整個水層的平均流速能很好的代表全斷面平均流速，得到的模型也是有較好的代表性。從低水位到高水位時差式流量計(jì)測得的數(shù)據(jù)和單一流量關(guān)系曲線上的值進(jìn)行對比見表1。

表1 實(shí)時流量對比表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)做了相關(guān)線性分析，見圖4。

圖4 Q測～Q線相關(guān)性分析圖

從圖4數(shù)據(jù)可以得出時差式流量計(jì)施測的流量值精度是符合水文資料整編規(guī)范要求的。

2.4 存在問題

時差法流量計(jì)不適宜用于斷面變化很大和過于寬淺的河道，河流中過于頻繁的通航船只會影響儀器的正常工作［6］。

時差法流量計(jì)要在河的兩岸安裝聲學(xué)換能器，要鋪設(shè)很長的電纜，并要有防雷保護(hù)裝置，在安裝上有一定的難度。由于是山區(qū)性河流，在暴雨時洪水上漲速度較快，上游帶來的水草以及漂浮物會纏繞傳感器，而傳感器安裝在水下，難以排除，只能等待退水后排除。

3 結(jié)語

時差式超聲波流量計(jì)測流方法不受人為因素及河流特性改變的影響，測流精度高，能夠有效提高工作效率，可滿足報(bào)訊和整編資料的需要。通過在平陽縣埭頭水文站比測分析，結(jié)果數(shù)據(jù)表明，在山區(qū)性天然河流中應(yīng)用具有較好的穩(wěn)定性，流量資料精度符合《水文資料整編規(guī)范》要求。

［1］阮芬，馬樹升，白清俊，樊銘京.超聲波流量計(jì)的測流原理及其應(yīng)用研究［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，37(01):99-104.

［2］宋盛義，徐偉，熊杰.超聲波流量計(jì)及其應(yīng)用［J］.農(nóng)田水利與小水電，1994(04):43-46.

［3］中華人民共和國水利部.SL 247—2012水文資料整編規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［4］林祚頂.水文現(xiàn)代化與水文新技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:36-39.

［5］李廣峰，劉芳，高勇.時差法超聲波流量計(jì)的研究［J］.電測與儀表，2000，37(09):13-19.

［6］于光平，陳強(qiáng).相關(guān)法在超聲波流量及設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(02):207-211.

TH814

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1007-7596(2014)06-0172-03

2014-04-23

白炳鋒(1977-)，男，浙江溫州人，工程師;林湘如(1989-)，男，浙江溫州人，助理工程師;程鵬(1987-)，男，浙江溫州人，助理工程師。