超聲波測量技術在引嫩工程實例渠道流量中的應用

付 慶，王新穎

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江安達151400)

1 渠道超聲波測量技術概論

水平式超聲波流量計(以下稱H－ADCP)是利用聲學多普勒原理測量流速。H－ADCP通常安裝在河流或渠道的岸邊，水平發射波束涵蓋部分或整個寬度的水體，實時測量一個水層的流速分布，如圖1所示。水平聲學多普勒流速剖面儀(H－ADCP)主要由3個超聲波探頭組成，兩束沿水平方向發射，利用多普勒原理測量本層水流某一段上各點的二維流速，另一束向上發射用來測量水深。

圖1 H－ADCP工作原理圖

系統流量測量的工作原理是將H－ADCP探頭固定安裝在水面下某一水深處使用，使探頭上的兩個聲學傳感器位于同一平面上，并成一定角度向對岸發射，超聲波遇到水中和水一起流動的懸浮物會產生反射，部分聲波反射至發射端被H－ADCP接收，且反射回來的聲波頻率隨流速的大小而發生變化，根據頻率變化的大小可計算出本層水流某一段上各點的二維矢量流速;只要測驗范圍達到斷面主槽，就能建立穩定的層流速與斷面平均流速的關系。另一束超聲波則向上發射，遇到水面反射來測得水深，根據水深和儀器安裝高程算出水位，由“水位－過水面積關系表”得到過水面積。控制器或電腦利用H－ADCP提供的流速數據及水位數據采用“指標流速法”實時計算流量，如圖2所示。

圖2 H－ADCP測量流速圖

2 水位測量

H－ADCP可以利用超聲波垂向波束測量探頭的入水深度，加上H－ADCP探頭的安裝高程即可進行水位測量。但是H－ADCP測量水位變幅＜10 m，且受水中漂浮物和水體中含沙量的影響較大。如果在汛期水體中含沙量增加，對超聲波信號的衰減嚴重，垂向波束的有效測量范圍遠遠＜10 m，如圖3所示。

圖3 水位測量圖

鑒于水位變幅超過10 m，或水體中漂浮物過多，或含沙量較大，對超聲波信號衰減嚴重而造成測量的水位數據無效，可以通過外接水位計采集水位數據。外接水位計的種類可以是浮子機械編碼水位計、氣泡水位計、雷達水位計等。通過軟件設置，可以選擇是否采用外接水位計的水位數據。詳見圖4。

圖4 ADCP控制器外接水位計示意圖

3 流量測量

H－ADCP通常側向安裝在岸壁上，其流速測驗聲束指向水平方向。H－ADCP實時采集水平線上的流速分布數據。用戶根據實際的斷面水文情況，利用這些數據，選擇適當的流速算法率定H－ADCP測驗出的層平均流速與斷面平均流速的關系，根據該關系可以計算出斷面平均流速，從而達到流量在線監測的目的。目前最常用的流速關系率定算法是指標流速法。

指標流速法的基本原理是建立斷面平均流速與指標流速(即某一實測流速)之間的相關關系(即率定曲線或回歸方程)。指標流速實際上是河流斷面上某處的局部流速。斷面平均流速則可以認為是河流斷面上的總體流速。因此，指標流速法的本質是由局部流速來推算總體流速。在實際應用中，有3種局部流速可以用來作為指標流速:①某一點處的流速;②某一垂線處的深度平均流速;③某一水層處某一水平線段內的平均流速。H－ADCP測驗的是水平線平均流速。需要指出的是，H－ADCP只能測驗某一水層處某一水平線段內的線平均流速，并不是整個河寬范圍內的水平線平均流速。但是相關流速測驗經驗表明，即使幾百米甚至上千米寬的河流，仍然可以采用幾十米寬范圍內的水平線平均流速作為指標流速。率定流速關系需要兩個步驟:現場斷面平均流速和指標流速的采樣。在現場采用H－ADCP進行指標流速采樣的同時，需用人工船測或走航ADCP測驗流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數據。現場同步采樣需要在不同的流量或水位情況下進行。這樣就得到一組斷面平均流速與指標流速以及水位的數據。這樣根據多組數據計算即可率定出流速關系。

采用指標流速法率定流速關系，主要的影響因素如下:

3.1 主槽的位置和H－ADCP選型的影響

主槽一般位于斷面較深或流速較大處，主槽的流速變化情況基本可以反映出整個斷面平均流速的變化情況，所以能否用H－ADCP的實測流速與斷面平均流速率定出良好的關系，這與H－ADCP的安裝位置和選型有關。詳見圖5。

如圖5所示，水位在319.40 m時，水面寬約為220 m，選用波束擴散角為1.5°頻率為600 kHz的H－ADCP，在主瓣影響下有效測量范圍大約43 m左右，達不到斷面的主槽位置。如果水位再上漲1.17 m，達到320.57 m，在主瓣影響下的有效測量范圍就可以達到近90 m。從斷面情況看，基本可以達到主槽的范圍。在這種情況下，H－ADCP實測流速可與斷面平均流速建立較好的關系。

圖5 600 kHzH－ADCP有效測量范圍

如果選用300kHz的 H－ADCP，其波束擴散角度為2.2°，如果在主瓣影響下需要達到近90 m的有效測量范圍，水位必須在322.38 m以上，高于最低水位近3 m。如果在最低水位情況下，其在主瓣影響下有效測量范圍只有10 m左右。詳見圖6。

圖6 300 kHzH－ADCP有效測量范圍

3.2 水位的影響

水位的高低也影響到H－ADCP的有效測量范圍，水位在320.57 m以上能滿足有效測量范圍，如果水位下降，有效測量范圍也在縮短。這樣就需要根據不同的水位選擇不同的流速單元與斷面平均流速建立關系。從該斷面可見，320.57 m就是一個水位節點，如果單元數量設置為90，單元長度設置為1 m，水位在320.57 m以上，可以選取用87個單元的單元流速與斷面平均流速建立關系，當水位降低到320.57 m以下，就選取43個單元的單元流速與斷面平均流速建立關系。

3.3 含沙量的影響

水體中的含沙量只影響到H－ADCP的有效測量范圍，不影響測流精度。在汛期水位較高的情況下，如果含沙量增加，有效測量范圍可能變小，這主要根據回波強度數據判斷，需要根據測量斷面長期的數據比對分析確定含沙量與有效測量范圍的關系。

3.4 儀器安裝角度的影響

H－ADCP探頭內部安裝有角度傳感器，可以測量出儀器安裝的前后(稱為:縱擺)和左右(稱為:橫搖)傾斜角度。安裝時最好保證這兩個角度為0度，不過縱擺角度根據現場斷面情況可以做適當的調整。

4 數據采集

H－ADCP探頭內部包含的2個水平方向超聲波換能器主要用來測量流速數據，1個垂直方向超聲波換能器用來測量入水深度數據，傾斜傳感器采集角度數據，溫度傳感器采集水溫數據，壓力傳感器采集水壓數據。詳見圖7。

圖7 H－ADCP探頭結構圖

H－ADCP探頭的數據輸出格式有PD0、PD14和PD19格式，其中PD0模式數據包含最全的信息量，且數據相對穩定，故一般情況下采用PD0的數據輸出格式。

PD0模式的輸出數據包含10類數據，分別是恒定數據、動態數據、流速剖面數據、相關量剖面數據、回波強度剖面數據、有效數據百分比剖面數據、狀態剖面數據、水面跟蹤狀態數據、水面跟蹤命令數據、水面跟蹤幅度數據等。其輸出數據長度的計算為:6+2×(數據類型)+53(恒定數據)+65(動態數據)+2(流速剖面數據幀頭)+8×單元數量+2+4×單元數量+2+4×單元數量+16+(7×脈沖數量－1)+28+46+2(保留位)+2(校驗)。如果單元數量設置為100，脈沖數量設置為20，則每次輸出數據字節量為:6+2×10+53+65+2+8×100+2+4×100+2+4×100+16+(7×20－1)+28+46+2+2=1983kB。如果流量測驗的采樣間隔設置為5 min，每次流量測驗為消除水流脈動采集6組數據計算平均流速，則每5 min數據采集單元接收到的數量是1983×6=11898kB，如果這些原始數據全部保存，每天的數據存儲量為3.28M。

流量在線監測系統最后的輸出數據一般為水位、流速、流量和水溫。但是為了率定出層平均流速與斷面平均流速的關系，需要保存各單元平均流速。為了分析數據的有效性，需要保存各單元的回波強度數據。同時根據斷面情況和水情狀況，需要保存用戶設置的單元長度、單元數量、脈沖數量等H－ADCP工作參數。

5 數據比測

北引渠道共設置了渠首站、零號戰、大慶水庫進水閘、紅湖水庫進水閘4處流量采集裝置。超聲波流量計我處采用的是美國RDI公司的600K固定式流量計，固定在渠道中。使用太陽能和蓄電池進行供電。測量數據實時顯示在采集設備的LCD屏幕上。

經過一段時間的測量，4個測站采集的數據見表1。在不同流量，不同水位下測量的數值的誤差在5%左右，可以滿足實際應用的需要。使用人工旋槳方法測流，測量一組數據需要1 h左右，需要兩個人同時操作。使用超聲波流量計進行測量，瞬間就可以測出數據，大大的提供了工作效率，并且節約了人力物力。

表1 測站采集數據表

［1］黑龍江省防汛指揮系統建設項目領導小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測局.國家防汛指揮系統工程齊齊哈爾水情分中心示范區信息采集系統設計(綜合報告)［R］.哈爾濱:黑龍江省防汛指揮系統建設項目領導小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測局，2000.

［2］黑龍江省防汛指揮系統建設項目領導小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測局.國家防汛指揮系統工程哈爾濱水情分中心信息采集系統設計報告［R］.哈爾濱:黑龍江省防汛指揮系統建設項目領導小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測局，2000.

［3］詹若濤.電信網與電信技術［M］.北京:人民郵電出版社.