一種浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

馮瑞++馬尚賢

摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)行幾種測(cè)流方法應(yīng)用時(shí)的局限性，就此提出了一種浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并簡(jiǎn)要介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)備用途，闡述了浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，指出了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意考慮河床沖淤變化對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面面積的影響，分析了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后的優(yōu)缺點(diǎn)，以期能推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)儀器的研究。

關(guān)鍵詞：浮體式 水面 在線 測(cè)流 夾角

中圖分類號(hào)：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）11（b）-0238-02

流量測(cè)驗(yàn)在水文測(cè)驗(yàn)中占有重要地位，因此國(guó)內(nèi)外有眾多的測(cè)驗(yàn)儀器被應(yīng)用于流量測(cè)驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外常用的流量測(cè)驗(yàn)方法主要有以下幾種，流速儀法、聲學(xué)多普勒流速剖面儀法（ADCP）以及電波流速儀法。流速儀法主要是用流速儀實(shí)測(cè)斷面上一系列測(cè)點(diǎn)流速，并施測(cè)斷面面積，推求斷面流量的一種方法。其測(cè)驗(yàn)精度較高，測(cè)量成果較可靠，但在水流含沙量較大時(shí)轉(zhuǎn)軸加速、漂浮物多時(shí)易纏繞等問題難以解決；ADCP突破傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ)的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波被水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出流速。其具有能直接測(cè)出斷面的流速剖面、不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)，但在水流含沙量較大時(shí)，測(cè)量信號(hào)會(huì)有所衰減[1]；電波流速儀法是利用多普勒效應(yīng)，通過電磁波遇到河道水體表面時(shí)發(fā)生反射，在波源、觀察者、不同介質(zhì)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起電磁波頻率改變來施測(cè)水面流速，測(cè)量過程不受含沙量、漂浮物影響，但在斷面流態(tài)平穩(wěn)，水面上波浪微弱時(shí)反射信號(hào)很弱，會(huì)導(dǎo)致儀器無法正常工作，且成本高昂[2]。上述流量測(cè)驗(yàn)方法均需人工現(xiàn)場(chǎng)操作，在目前有相當(dāng)數(shù)量的水文站采用巡測(cè)方式取得水文資料的情況下，開發(fā)一種操作簡(jiǎn)單、成本較低、具有實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程在線測(cè)流功能的測(cè)流系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)包括浮體式水面流速儀、水面流速儀信號(hào)傳感器、角度傳感器、GPRS數(shù)據(jù)采集通訊終端、中心站計(jì)算機(jī)以及中心站數(shù)據(jù)接收處理及查詢顯示等軟件。流速儀是由固定長(zhǎng)度的鋼絲繩牽引，然后懸掛在橫跨斷面左右岸的鋼絲繩上，如圖1所示。由此，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向會(huì)有一個(gè)夾角，夾角大小由安裝在兩者之間的角度傳感器測(cè)得。

2 系統(tǒng)設(shè)備用途

浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)中浮體式水面流速儀用于測(cè)定水面流速，再結(jié)合斷面資料及系統(tǒng)系數(shù)來推求流量。用水面流速與斷面面積乘積求得的流量稱為虛流量。虛流量乘以系統(tǒng)系數(shù)可得到需要的實(shí)測(cè)流量。其中，系統(tǒng)系數(shù)可由浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流與流速儀法測(cè)流進(jìn)行比測(cè)得到。角度傳感器用于測(cè)量不同水位時(shí)牽引鋼絲繩與水面水平方向的夾角，經(jīng)換算后可知斷面實(shí)時(shí)水位。GPRS數(shù)據(jù)采集通訊終端用于傳輸水面流速儀信號(hào)傳感器和角度傳感器收集的數(shù)據(jù)至中心站前置數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)。GPRS是一種基于CSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不僅提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，而且提供廣域的無限IP連接，以分組的形式將數(shù)據(jù)傳送到用戶手中[3]。中心站計(jì)算機(jī)軟件主要有前置數(shù)據(jù)接收軟件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢軟件。

3 系統(tǒng)主要功能

自動(dòng)讀取水位；實(shí)時(shí)測(cè)量水面流速；實(shí)時(shí)計(jì)算斷面流量；顯示水位及流量報(bào)表和曲線；遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢斷面水情及流量數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用原理

在測(cè)流斷面布設(shè)多個(gè)底部安裝有滾水輪的浮體式水面流速儀，流速儀是由固定長(zhǎng)度的鋼絲繩牽引，然后懸掛在橫跨斷面左右岸的鋼絲繩上。由此，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向會(huì)有一個(gè)夾角，夾角大小由安裝在兩者之間的角度傳感器測(cè)得。當(dāng)流速儀漂浮于水面，水流流過滾水輪時(shí)，水流直線運(yùn)動(dòng)能量產(chǎn)生滾水輪轉(zhuǎn)矩。此轉(zhuǎn)矩克服滾水輪的慣量、軸承等內(nèi)摩阻，以及水流與滾水輪之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的流體阻力等，使?jié)L水輪轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。從流體力學(xué)理論分析，上述各力作用下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜，而其綜合作用結(jié)果卻比較簡(jiǎn)單，即在一定的速度范圍內(nèi)，流速儀滾水輪的轉(zhuǎn)速與水流速度呈簡(jiǎn)單的近似線性關(guān)系。利用水槽實(shí)驗(yàn)方法，可建立滾水輪轉(zhuǎn)速與水流速度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，公式（1）如下：

V=a+bn （1）

式中a為常數(shù)；b為滾水輪的水力螺距；n為滾水輪的轉(zhuǎn)率。

當(dāng)斷面水位發(fā)生變化時(shí)，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向的夾角也會(huì)發(fā)生變化。如圖1所示，依據(jù)夾角大小便可求得水深，公式（2）如下：

h=d-lsinα （2）

式中h為水深；d為橫跨斷面左右岸的鋼絲繩與河底之間的距離；l為牽引鋼絲繩長(zhǎng)度；α為鋼絲繩與水面水平方向的夾角。

根據(jù)流速儀信號(hào)可求出部分平均虛流速，再利用水深求出部分面積，進(jìn)而可知部分虛流量。斷面虛流量的計(jì)算方法與浮標(biāo)法測(cè)流的計(jì)算方法基本相同，斷面虛流量乘以系統(tǒng)系數(shù)，即為斷面流量。在線測(cè)流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，是將流速儀信號(hào)傳感器以及角度傳感器的采集數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送到中心站，中心站使用固定IP地址的計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序解碼流速、角度等，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，經(jīng)解算的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，最終在查詢系統(tǒng)中以過程線和數(shù)據(jù)表格的方式加以體現(xiàn)，如流量和水位過程線、流速流量表格等。

5 系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題

該系統(tǒng)測(cè)流時(shí)，水道斷面面積正確與否，是影響流量精度的關(guān)鍵因素。尤其是河床沖淤變化顯著的測(cè)站，測(cè)驗(yàn)的同時(shí)應(yīng)盡可能地實(shí)測(cè)斷面。但在特殊情況下，如果實(shí)測(cè)斷面有困難，可借用斷面計(jì)算流量，但應(yīng)注意此時(shí)借用斷面可能會(huì)帶來較大誤差，故必須注意加強(qiáng)分析。河床穩(wěn)定的測(cè)站，可借用最近的實(shí)測(cè)斷面資料。

6 系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可測(cè)得連續(xù)時(shí)間內(nèi)的流量，穩(wěn)定性、可靠性、智能化程度高，操作簡(jiǎn)單，測(cè)速范圍廣，自體保護(hù)性能強(qiáng)；其缺點(diǎn)一是浮體式流速儀由鋼絲繩上牽引，側(cè)風(fēng)較大時(shí)會(huì)影響其測(cè)驗(yàn)精度。二是橫跨左右岸的鋼絲繩有一定弧度，風(fēng)力較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，同樣影響其測(cè)驗(yàn)精度。三是浮體式流速儀由鋼絲繩牽引，只能固定于某一斷面，移動(dòng)性較差。

7 結(jié)語(yǔ)

浮體式水面在線測(cè)流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后可用于無人值守情況下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水位流量變化過程，可提高儀器的可靠性和人員的安全性，降低測(cè)站的運(yùn)行成本和人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)安裝維護(hù)方便，施工費(fèi)用低，全自動(dòng)穩(wěn)定可靠，為加快先進(jìn)水文儀器設(shè)備的開發(fā)積累有益經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡培青.幾種主要測(cè)流方法的簡(jiǎn)述[J].數(shù)字化用戶， 2017，13（4）：107.

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[3] 馮建軍.ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方法[J].港工技術(shù)， 2007（3）：53-55.

[4] 中華人民共和國(guó)水利部.河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.endprint