超聲波時差法測流技術(shù)在三角洲站的應(yīng)用

李 飛

（長沙水文水資源勘測中心，湖南 長沙 41000）

前 言

21 世紀(jì)初，黨中央與時俱進(jìn)提出“水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源”；黨的十八大提出“建設(shè)生態(tài)文明”。由于我國自然條件復(fù)雜，水資源時空分布嚴(yán)重不均，由此帶來的洪澇災(zāi)害和用水矛盾事件頻繁發(fā)生。已成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸之一。黨和政府在堅(jiān)持抓好防汛減災(zāi)的同時，提出要大力發(fā)展民生水利，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，把嚴(yán)格水資源管理作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的戰(zhàn)略舉措。要搞好防汛減災(zāi)和水資源的合理配置，抓好水文監(jiān)測是關(guān)鍵。

2019 年以來，水利部鄂竟平部長多次強(qiáng)調(diào)指出水文要下大力氣研究和應(yīng)用新技術(shù)，改進(jìn)監(jiān)測手段和方法，提高水文自動化、智能化水平。2020 年全國水文工作會議對水文現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)行了安排和部署，要求加快應(yīng)用新技術(shù)新設(shè)備，提升水文測報(bào)自動化水平。

為加快水文監(jiān)測現(xiàn)代化建設(shè)的步伐，水利部辦公廳《水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求》文件提出了加強(qiáng)水文監(jiān)測現(xiàn)代化的總體思路和實(shí)施要求。其中，在河流流量測驗(yàn)方面明確提出根據(jù)水文測站功能和特性，選用聲學(xué)多普勒流速剖面儀法；雷達(dá)測速；聲學(xué)時差法；比降面積法；圖像識別技術(shù)；水工建筑物與堰槽測流。并實(shí)現(xiàn)流量在線自動監(jiān)測的要求。長沙水文水資源勘測中心先期在長沙市三角洲水文站進(jìn)行了聲學(xué)時差法流量測驗(yàn)技術(shù)研究，并取得了較好的成效，現(xiàn)將試驗(yàn)情況做一簡要介紹。

1 三角洲水文站的基本情況

三角洲水文站位于湖南省長沙市開福區(qū)棲鳳路鐵路橋上游300 m 處，為湘江一級支流瀏渭河的下游控制站。集水面積約3 815 km2，屬長沙市防汛專用水文站。測驗(yàn)河段順直，斷面呈“U”形。河床有卵石夾沙組成，貼近河床處有水草生長（但不深）。無分流、串流。中高水位主槽寬約200 m。上游1 000 m 處有車站北路瀏陽河大橋一座，下游300 m 處有芙蓉路公路橋一座及京廣鐵路橋兩座。測驗(yàn)斷面下距河口約800 m，易受湘江干流回水頂托影響。高中低水位級劃分參照朗木 梨水文站高中低水位級劃分進(jìn)行確定，33.80 m 以上為高水位，33.80～30.00 m 為中水位，30.00 m 以下為低水位。

2 三角洲水文站在線測流設(shè)備的選擇

由于三角洲水文站斷面較寬，底部受水草影響，實(shí)施H-ADCP 測流存在困難；又由于處于通航河段，沒有過河纜道，且回水頂托影響，水面流速變化很大，最小水面流速低于固定式電波流速儀測速指標(biāo)，因此，固定式電波流速儀在本站也不太適合。經(jīng)查勘，三角洲水文站測流斷面河床最低處高程約21.90 m，河床平均高程約24.50 m，常年最低水位約29 m，最低水位情況下平均水深也達(dá)4.5 m，為典型的“U”形河床，河底雖有水草，但選擇適當(dāng)?shù)母叱毯桶惭b方式，完全可以實(shí)施超聲波時差法測流。因?yàn)楹訉挷槐沅佋O(shè)電纜，可采用無線超聲波時差法設(shè)備。

3 無線時差法在線測流系統(tǒng)測流原理

超聲波時差法的工作原理是：由于測流介質(zhì)是流動狀態(tài)的，存在介質(zhì)波，當(dāng)超聲波在該介質(zhì)中單向來回傳播時，如果同一平面上介質(zhì)波方向與超聲波方向呈一定傾斜角，超聲波與介質(zhì)波之間存在波的傳播速度的抵消和疊加。超聲波脈沖向下游方向比向上游方向傳輸速度更快。兩個方向的傳播時間差為ΔT，利用公式可計(jì)算出介質(zhì)斷面的平均流速V，并通過測流介質(zhì)斷面的剖面面積A，計(jì)算出流量Q。也即：超聲波時差法是利用超聲波在測流介質(zhì)里的兩點(diǎn)間來回方向傳輸?shù)臅r間差來計(jì)算流速和流量的。

傳統(tǒng)的超聲波時差法需要在測驗(yàn)河段的兩岸間架設(shè)換能器電纜，對應(yīng)用造成了限制。為解決河面寬而不便于架設(shè)電纜的困難，無線時差法采用了主、輔機(jī)結(jié)構(gòu)，利用衛(wèi)星授時信號將主機(jī)和輔機(jī)工作在絕對同步狀態(tài)（實(shí)際同步誤差不大于20 ns）。同時，采用超短波或其它無線通信手段完成兩岸信息溝通。這就是典型的無線時差法設(shè)備結(jié)構(gòu)。

4 時差法在線測流系統(tǒng)組成和安裝

2018 年，三角洲水文站引進(jìn)了一套28 kHz 無線超聲波時差法測流儀（包括主機(jī)、輔機(jī)和換能器）（選擇進(jìn)口設(shè)備也是基于國內(nèi)沒有無線時差法類似產(chǎn)品），考慮到河寬和汛期泥沙等因素，選擇超聲波頻率28 kHz，1 000 W 的技術(shù)指標(biāo)。并與國內(nèi)設(shè)備配套形成在線測流系統(tǒng)。系統(tǒng)由超聲波時差法測速儀、水位計(jì)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備（RTU）、通訊設(shè)備、供電系統(tǒng)、機(jī)箱等組成。

根據(jù)三角洲水文站水位變幅不大的情況，該站采用了單路徑時差法測流系統(tǒng)。

經(jīng)過實(shí)地查勘，且按照時差法在線測流技術(shù)規(guī)范，綜合考慮測流河段相對順直，測驗(yàn)區(qū)域內(nèi)無岔流，無嚴(yán)重紊流，換能器周圍無排水管道，遠(yuǎn)離水工建筑，河床穩(wěn)定，水深適中，無水草和螺絲等水生物影響。確定時差法測流兩換能器分別安裝在河流的下游左岸和上游右岸，安裝高程均為27.2 m。其聲線與河流軸線呈45°夾角，聲線長度為255 m 左右，兩換能器在斷面上的投影距離為180～190 m。系統(tǒng)主機(jī)安裝在左岸，在傾斜式河堤內(nèi)側(cè)用混凝土固定換能器安裝軌道，換能器安裝于軌道上，在河堤上部立桿固定機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)安裝時差法主機(jī)、氣泡水位計(jì)主機(jī)、電源系統(tǒng)、衛(wèi)星終端、通信終端、GPRS 模塊等。

系統(tǒng)輔機(jī)安裝在左岸，換能器安裝于固定在垂直河堤的專門軌道上，輔機(jī)機(jī)箱安裝于軌道旁邊的堤岸上，機(jī)箱內(nèi)安裝有時差法輔機(jī)、電源系統(tǒng)、衛(wèi)星終端、通信終端等。

主、輔機(jī)之間的聯(lián)系采用230 MHz 頻段（開始采用的433 MHz 頻段）的專業(yè)超短波電臺。

在后續(xù)的調(diào)試運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，該聲道換能器接收信號較好，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，時差法所測層流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系良好。聲道選擇是比較成功的。

圖1 為三角洲斷面圖。

圖1 三角洲斷面圖

5 時差法在線測流系統(tǒng)比測率定

5.1 比測過程與結(jié)果

由超聲波時差法測流的原理可確定，時差法測流為一種以層平均流速代替斷面平均流速的間接流量測驗(yàn)方式，與直接全斷面流速測驗(yàn)有所不同。因此，以層平均流速代替斷面平均流速計(jì)算流量時必須事先對層平均流速進(jìn)行修正。據(jù)水力學(xué)原理，層平均流速與斷面平均流速間存在很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，但由于受斷面形狀、比降、糙率等水力因素的影像，使得每一測流斷面和同一斷面的每個水位級的修正系數(shù)都不可能相同。率定的目的就是通過與時差法同時刻的精確流量求取二者的相關(guān)系數(shù)，將這個系數(shù)置入時差法設(shè)備中，在以后的運(yùn)行中，時差法設(shè)備輸出的經(jīng)過修訂的流量數(shù)據(jù)就可認(rèn)定為精確的流量數(shù)據(jù)了。

2019 年3 月10 日至7 月19 日共進(jìn)行了30 次流量比測。

由于已進(jìn)入汛期，水位變幅比較大，有低、中、高水比測數(shù)據(jù)。在比測30 次流量中，33.80 m 以上高水位測次為9 次，30.00 ～33.80 m 中水位測次為13 次，30.00 m 以下低水位測次為8 次。實(shí)測最大流量1 010 m3/s，相應(yīng)水位為33.70 m；實(shí)測最小流量86.0 m3/s，相應(yīng)水位為33.89 m。

三角洲站在線流量與實(shí)測流量關(guān)系見圖2。

圖2 三角洲站在線流量與實(shí)測流量關(guān)系

經(jīng)計(jì)算，比測綜合誤差為-2.2%，相關(guān)系數(shù)R2=0.998，k2=0.997，符合比測要求。

5.2 比測分析與討論

雖然該站距離湘江河口不到1 km，受湘江頂托影響嚴(yán)重，但比測結(jié)果仍顯示超聲波時差法在線測流系統(tǒng)在三角洲站使用情況良好, 由此可見超聲波時差法在線測流系統(tǒng)在受回水頂托影響的水文站點(diǎn)，使用情況良好。

誤差分析：三角洲所在瀏渭河屬于通航河流，船舶通過斷面以及大風(fēng)大雨對流量影響較大，因此在比測的過程中，有幾次測量數(shù)據(jù)誤差較大，水面平靜時，誤差較小。走航式ADCP 測量用時較長，時差法測流每5 min 提供一個數(shù)據(jù)，且局部相鄰數(shù)據(jù)有差異較大的現(xiàn)象，下一步生產(chǎn)廠家將奇異值進(jìn)行過濾，保證流量過程平穩(wěn)變化。

6 后期運(yùn)行情況

時差法在線測流系統(tǒng)安裝試運(yùn)行期間，數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)重大故障事故。抗環(huán)境影響能力較強(qiáng)。三角洲站2020 年出現(xiàn)高洪暴雨時，設(shè)備仍然運(yùn)轉(zhuǎn)正常。在惡劣的天氣環(huán)境中，整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。河岸環(huán)境復(fù)雜，臨近居民區(qū)，較多漂浮物，水流沖擊探頭無擺動幅度，儀器設(shè)備能很好抵抗高洪水的沖擊并且滿足洪水監(jiān)測的需求，以及防洪防汛的流量監(jiān)測需求。

7 結(jié)論與建議

三角洲水文站作為全國領(lǐng)先的無線超聲波時差法應(yīng)用的水文站，實(shí)現(xiàn)了無人值守工作模式、實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)精確、自動化測流等目標(biāo),為該站測流科技化、自動化、精確化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

超聲波時差法，特別是無線超聲波時差法在三角洲水文站的成功應(yīng)用，證明在符合使用條件的水文站點(diǎn)推廣使用時差法測流是可行的，特別是針對河面寬、泥沙含量較大的河流，無線時差法測流應(yīng)該算是最好的測流方法，應(yīng)進(jìn)一步研究和推廣。

同時，通過實(shí)地應(yīng)用我們也看到，在選擇無線時差法測流系統(tǒng)時，不但要了解河流特性和對時差法的適應(yīng)性，還應(yīng)了解無線信道條件以及是否存在影響信道質(zhì)量的因素。三角洲水文站無線時差法測流系統(tǒng)前期采用433 MHz 頻段，因常常受到偶然干擾而使測驗(yàn)失敗，后采用230 MHz 頻段才解決了干擾問題。

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，超聲波技術(shù)的普及，成本的下降和可靠性的提高，不論是技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面，超聲波時差法將都是流量測量的理想選擇之一。