時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)的建立與實(shí)踐應(yīng)用分析

(黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

1 引 言

屯溪水文站是新安江干流的主要控制站，是皖南山區(qū)的代表站，同時(shí)也是國家重要水文站。2011年初，湖邊水利樞紐在測站基本斷面下游4.1km處建成并投入使用，其中攔水壩長230m，左岸建有船閘，右岸建有電站，屯溪站水位常年在122.00m左右。樞紐調(diào)節(jié)對流量測驗(yàn)帶來很大影響，水位流量關(guān)系不再單一，全年采用連實(shí)測流量過程線法推流，流量測驗(yàn)任務(wù)繁重。針對測流作業(yè)現(xiàn)場測驗(yàn)時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測且低流速時(shí)測量不精確等問題，2011年引進(jìn)德國時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)，在屯溪水文站進(jìn)行了探索性試驗(yàn)和研究，取得了較好的效果，實(shí)現(xiàn)了流量在線監(jiān)測，減輕測驗(yàn)負(fù)擔(dān)。但使用過程中在河段選擇、安裝位置、系數(shù)選定等方面發(fā)現(xiàn)部分問題。為使時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際工作中更好地應(yīng)用，并保證一定的測驗(yàn)精度，本文對時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行說明，在應(yīng)用過程中對安裝建立進(jìn)行研究與探討，并結(jié)合新安江干流實(shí)際測流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，利用實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行比測率定分析，以期為水文自動(dòng)化建設(shè)提供借鑒。

2 時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理

時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)包括岸上測流控制器、一組(或幾組)聲學(xué)換能器、信號電纜、電源、防雷接地設(shè)施(含信號避雷器、電源避雷器、避雷地網(wǎng))等組成部分，其中流量數(shù)據(jù)由岸上測流控制器計(jì)算得出。

聲學(xué)時(shí)差法是采用聲學(xué)流量計(jì)進(jìn)行測流，聲學(xué)時(shí)差法流量計(jì)基于流速面積法流量測量原理進(jìn)行測流。聲波在靜水中傳播時(shí)有一恒定的速度，此傳播速度會(huì)隨水溫、鹽度、含沙量發(fā)生變化，但當(dāng)水流狀況一定時(shí)，此傳播速度是一定的。順?biāo)畟鞑r(shí)，實(shí)際傳播速度為聲速加上水流速度；逆水傳播時(shí)，實(shí)際傳播速度為聲速減去水流速度。據(jù)此原理，在河流上、下游兩固定點(diǎn)之間聲波順?biāo)湍嫠畟鞑ニ钑r(shí)間有一定的差別，測出這時(shí)間差別就能測得水流速度，這種測量水流速度的方法稱為“時(shí)差法”。

該系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。圖中的θ為水流平均流向和超聲波傳播方向的夾角； A 、B 分別代表兩個(gè)超聲波換能器；td為換能器A發(fā)射、B接收時(shí)超聲波在河道中傳播時(shí)間，即順流時(shí)間；tu為換能器B發(fā)射、A接收時(shí)超聲波在河道中傳播時(shí)間，即逆流時(shí)間；V為水體流速；L為超聲波行走的路徑長度，D為河道寬度。時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)順流時(shí)間td和逆流時(shí)間tu分別用式(1)計(jì)算，即：

(1)

其中，C為超聲波信號在水中的聲速。設(shè)Δt為順逆流時(shí)間差，見式(2)：

(2)

式中X——兩換能器在水流方向上的間距。

因常見水體中聲速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體流速,故公式簡化為式(3)：

(3)

也就是水體流速V，見式(4)：

(4)

由此可見，水體的流速與超聲波順波和逆波傳播的時(shí)間差成正比。

3 時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 測驗(yàn)河段選擇

屯溪水文站測驗(yàn)河段順直，無水量進(jìn)出交換，水流狀態(tài)穩(wěn)定。河床規(guī)整，由連片巖石、卵石組成，兩岸漿砌塊石護(hù)坡，河底水草稀少，河面無頻繁通航船只，水流狀態(tài)穩(wěn)定。符合時(shí)差法設(shè)備對測驗(yàn)河段的技術(shù)要求[1]。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 傳感器安裝位置設(shè)計(jì)

探頭安裝位置是否科學(xué)合理，決定了系統(tǒng)測驗(yàn)的精度，主要從水平、垂直2個(gè)方向考慮。

a.水平方向安裝位置分析。水平方向安裝位置應(yīng)考慮以下因素：?兩岸換能器應(yīng)相互對準(zhǔn)，誤差不能大于3～5°，與斷面線呈45°夾角，涉及的河段長和河寬相等；?安裝探頭的河岸要求陡直穩(wěn)定，不易淤積，河段順直，具有穩(wěn)定的流態(tài)；?儀器安裝位置離岸遠(yuǎn)，則水深大，造價(jià)高，阻礙航運(yùn)，施工困難；離岸近應(yīng)考慮其合理性、相關(guān)及局部地形影響[2]。

根據(jù)以上考慮因素，結(jié)合屯溪水文站現(xiàn)場情況，右岸換能器選在距離中泓岸邊89m處，左岸換能器選在距離中泓岸邊110m處。

b.垂直方向安裝位置分析。根據(jù)對屯溪站大斷面圖的分析，平時(shí)大部分時(shí)間水位在122m左右，只有在汛期時(shí)，水位才有可能上升，但時(shí)間不長。另外，由于本斷面較寬，時(shí)差法設(shè)備選用超聲波時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)只在斷面上安裝一層超聲波測量探頭，測量傳感器探頭安裝位置在高程119.5m處比較合適。屯溪水文站時(shí)差法測流斷面和時(shí)差法設(shè)備安裝位置如圖2所示。

圖2 屯溪水文站時(shí)差法測流斷面和時(shí)差法設(shè)備安裝位置

c.測驗(yàn)井設(shè)計(jì)。屯溪區(qū)內(nèi)新安江為重要的旅游觀光河道，從穩(wěn)定性、安全性角度考慮，必須設(shè)計(jì)可靠的防撞保護(hù)設(shè)施。經(jīng)過實(shí)地考察，結(jié)合儀器正常工作后的維護(hù)和保養(yǎng)，施工安裝時(shí)，建設(shè)測驗(yàn)井2座，分布在河道兩岸[3]。

3.2.2 供電信號線設(shè)計(jì)

由于換能器安裝在河道兩岸，儀器控制終端放在右岸站房內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場情況，供電信號線路采用隨上游公路橋過，安全可靠，便于工程施工，投資小。

4 時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)系數(shù)分析

2013年建成試運(yùn)行至今，時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)在儀器性能穩(wěn)定性及測速準(zhǔn)確性方面，基本能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。由于沒有進(jìn)行前期時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)系數(shù)的比測試驗(yàn)，故使用時(shí)差法時(shí)系數(shù)選用“1”計(jì)算，這勢必影響到時(shí)差法的測流精度。

4.1 比測分析數(shù)據(jù)選取

為了消除斷面及水位變化對系數(shù)分析產(chǎn)生影響，故采用流速進(jìn)行對比分析。取2013年10月至2016年9月屯溪水文站實(shí)測流量資料，用各個(gè)實(shí)測時(shí)間挑選出對應(yīng)的時(shí)差法流速，共選出436組數(shù)據(jù)，其流速變化范圍為0.005～2.36m/s。

4.2 時(shí)差法流速系數(shù)分析

4.2.1 時(shí)差法流速整體分析

從時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)關(guān)系(圖3)中可看出：時(shí)差法流速與實(shí)測流速有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9902，將時(shí)差法流速代入相關(guān)公式中修正。以實(shí)測流速為真值，計(jì)算修正后時(shí)差法流速的系統(tǒng)誤差為1.68%，相對標(biāo)準(zhǔn)差為14.05%，相對不確定度為28.1%，均不滿足規(guī)范要求，此相關(guān)公式不能使用。

圖3 時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)關(guān)系

4.2.2 時(shí)差法按流速級分析

因上述相關(guān)公式修正不能滿足規(guī)范要求，故將時(shí)差法按流速級分析，從時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)關(guān)系圖中可看出：時(shí)差法流速與實(shí)測流速在0.1m/s以下、0.1～0.3m/s、0.3～0.5m/s及0.5～1.4m/s段具有較好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均能到達(dá)0.98以上，而1.4m/s以上流速受含沙量影響較大，相關(guān)關(guān)系較差。各個(gè)流速段相關(guān)圖如圖4—8所示。

圖4 流速0.1m/s以下時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)

圖5 流速0.1～0.3m/s時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)

圖6 流速0.3～0.5m/s時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)

圖7 流速0.5～1.4m/s時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)

圖8 流速1.4m/s以上時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)

將時(shí)差法流速代入各個(gè)對應(yīng)的相關(guān)公式中修正。以實(shí)測流速為真值，計(jì)算修正后時(shí)差法流速的系統(tǒng)誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)差及相對不確定度，成果見表1，滿足比測隨機(jī)不確定度不應(yīng)超過7%；系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%的要求[3]。

4.3 成果檢驗(yàn)

流量測驗(yàn)的基本原則應(yīng)根據(jù)水流特性及控制情況等因素而定，總的要求是能準(zhǔn)確推算出逐日平均流量和各項(xiàng)特征值。時(shí)差法流速修正分析成果檢驗(yàn)也用于修正后的時(shí)差法逐日平均流量與連實(shí)測逐日平均流量進(jìn)行對比[4-6]。選2016年1、2、3月對比，對比成果見表2。

表1 時(shí)差法測速誤差計(jì)算統(tǒng)計(jì)

表2 逐日平均流量對比 單位：m3/s

修正后1月日平均流量的最大相對誤差由24.8%下降到14.9%，月總量的相對誤差由10.8%下降到1.9%。2月日平均流量的最大相對誤差由42.5%下降到1.7%，月總量的相對誤差由18.4%下降到3.1%。3月日平均流量的最大相對誤差由71.9%下降到-2.2%，月總量的相對誤差由27.6%下降到1.4%。修正后時(shí)差法逐日平均流量更接近連實(shí)測逐日平均流量，基本能推算出逐日平均流量和各項(xiàng)特征值，能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

a.經(jīng)時(shí)差法流速系數(shù)的比測，屯溪水文站時(shí)差法各個(gè)流速段相關(guān)公式可較精準(zhǔn)地用于屯溪水文站時(shí)差法流量測驗(yàn)，為測流作業(yè)帶來便捷。

b.時(shí)差法按整體流速進(jìn)行擬合數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，準(zhǔn)確度不滿足要求，而時(shí)差法按流速級分析，在1.4m/s流速以下具有較好的相關(guān)性，經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，具有較高的準(zhǔn)確度。

5.2 建議

在時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及系數(shù)的比測中，提出以下建議供參考：

a.屯溪水文站采用時(shí)差法流量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和報(bào)汛，為流量的自動(dòng)監(jiān)測提供了新的途徑。

b.若采用單層測流法時(shí)，應(yīng)計(jì)算安裝水深，確保所測水層平均流速能在各個(gè)水位與斷面流速有較好的相關(guān)性；若采用分層測流法，應(yīng)科學(xué)合理將水深劃分成不同的水層，提高流量測驗(yàn)成果質(zhì)量。

c.儀器安裝河段要順直，沒有水量進(jìn)出交換，河道地形要平整，應(yīng)具備一定的水深，不適用于斷面變化很大和過于寬淺的河道。安裝聲學(xué)換能器時(shí)要對準(zhǔn)對岸相應(yīng)的聲學(xué)換能器，水平、垂直偏斜角度都要在儀器允許誤差范圍內(nèi)。必要時(shí)可設(shè)置對換能器的保護(hù)設(shè)施，但應(yīng)注意這些設(shè)施和儀器的安裝設(shè)計(jì)都不對水流發(fā)生較大的擾動(dòng)。

d.當(dāng)河流含沙量較大時(shí)，時(shí)差法流速與實(shí)測流速相關(guān)關(guān)系較差，無法建立相關(guān)公式，而中低流速下相關(guān)關(guān)系較好。建議在中低流速下使用，具體的流速使用臨界值根據(jù)各站具體情況而定。各使用單位應(yīng)對不同水情進(jìn)行比測試驗(yàn)，應(yīng)分別采用不同的關(guān)系推流。

e.定時(shí)清理探頭及河槽，消除泥沙水草阻擋換能器等不良因素對測驗(yàn)的影響。