一種浮體式水面在線測流系統的設計探討

馮瑞++馬尚賢

摘 要：本文簡要分析了現行幾種測流方法應用時的局限性，就此提出了一種浮體式水面在線測流系統的設計方案，并簡要介紹了該系統的結構組成及設備用途，闡述了浮體式水面在線測流系統的設計原理，指出了該系統實現后在實際應用中應注意考慮河床沖淤變化對測驗斷面面積的影響，分析了該系統實現后的優缺點，以期能推進水文測驗儀器的研究。

關鍵詞：浮體式 水面 在線 測流 夾角

中圖分類號：TH89 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（b）-0238-02

流量測驗在水文測驗中占有重要地位，因此國內外有眾多的測驗儀器被應用于流量測驗。目前，國內外常用的流量測驗方法主要有以下幾種，流速儀法、聲學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測斷面上一系列測點流速，并施測斷面面積，推求斷面流量的一種方法。其測驗精度較高，測量成果較可靠，但在水流含沙量較大時轉軸加速、漂浮物多時易纏繞等問題難以解決；ADCP突破傳統機械轉動為基礎的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發射聲脈沖波，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，經測定多普勒頻移而測算出流速。其具有能直接測出斷面的流速剖面、不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點，但在水流含沙量較大時，測量信號會有所衰減[1]；電波流速儀法是利用多普勒效應，通過電磁波遇到河道水體表面時發生反射，在波源、觀察者、不同介質之間發生相對運動而引起電磁波頻率改變來施測水面流速，測量過程不受含沙量、漂浮物影響，但在斷面流態平穩，水面上波浪微弱時反射信號很弱，會導致儀器無法正常工作，且成本高昂[2]。上述流量測驗方法均需人工現場操作，在目前有相當數量的水文站采用巡測方式取得水文資料的情況下，開發一種操作簡單、成本較低、具有實時遠程在線測流功能的測流系統具有一定的現實意義和價值。

1 系統的結構組成

本系統包括浮體式水面流速儀、水面流速儀信號傳感器、角度傳感器、GPRS數據采集通訊終端、中心站計算機以及中心站數據接收處理及查詢顯示等軟件。流速儀是由固定長度的鋼絲繩牽引，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有一個夾角，夾角大小由安裝在兩者之間的角度傳感器測得。

2 系統設備用途

浮體式水面在線測流系統中浮體式水面流速儀用于測定水面流速，再結合斷面資料及系統系數來推求流量。用水面流速與斷面面積乘積求得的流量稱為虛流量。虛流量乘以系統系數可得到需要的實測流量。其中，系統系數可由浮體式水面在線測流系統測流與流速儀法測流進行比測得到。角度傳感器用于測量不同水位時牽引鋼絲繩與水面水平方向的夾角，經換算后可知斷面實時水位。GPRS數據采集通訊終端用于傳輸水面流速儀信號傳感器和角度傳感器收集的數據至中心站前置數據接收計算機。GPRS是一種基于CSM的移動分組數據業務，不僅提供點對點，而且提供廣域的無限IP連接，以分組的形式將數據傳送到用戶手中[3]。中心站計算機軟件主要有前置數據接收軟件、數據轉儲軟件、實時數據查詢軟件。

3 系統主要功能

自動讀取水位；實時測量水面流速；實時計算斷面流量；顯示水位及流量報表和曲線；遠程實時查詢斷面水情及流量數據。

4 系統應用原理

在測流斷面布設多個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有一個夾角，夾角大小由安裝在兩者之間的角度傳感器測得。當流速儀漂浮于水面，水流流過滾水輪時，水流直線運動能量產生滾水輪轉矩。此轉矩克服滾水輪的慣量、軸承等內摩阻，以及水流與滾水輪之間相對運動引起的流體阻力等，使滾水輪轉動[4]。從流體力學理論分析，上述各力作用下的運動機理十分復雜，而其綜合作用結果卻比較簡單，即在一定的速度范圍內，流速儀滾水輪的轉速與水流速度呈簡單的近似線性關系。利用水槽實驗方法，可建立滾水輪轉速與水流速度之間的經驗公式，公式（1）如下：

V=a+bn （1）

式中a為常數；b為滾水輪的水力螺距；n為滾水輪的轉率。

當斷面水位發生變化時，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向的夾角也會發生變化。如圖1所示，依據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為牽引鋼絲繩長度；α為鋼絲繩與水面水平方向的夾角。

根據流速儀信號可求出部分平均虛流速，再利用水深求出部分面積，進而可知部分虛流量。斷面虛流量的計算方法與浮標法測流的計算方法基本相同，斷面虛流量乘以系統系數，即為斷面流量。在線測流系統的數據采集和處理，是將流速儀信號傳感器以及角度傳感器的采集數據通過GPRS無線網絡傳送到中心站，中心站使用固定IP地址的計算機接受數據，通過轉儲程序解碼流速、角度等，同時進行實時計算，經解算的結果存入數據庫，最終在查詢系統中以過程線和數據表格的方式加以體現，如流量和水位過程線、流速流量表格等。

5 系統應用時應注意的問題

該系統測流時，水道斷面面積正確與否，是影響流量精度的關鍵因素。尤其是河床沖淤變化顯著的測站，測驗的同時應盡可能地實測斷面。但在特殊情況下，如果實測斷面有困難，可借用斷面計算流量，但應注意此時借用斷面可能會帶來較大誤差，故必須注意加強分析。河床穩定的測站，可借用最近的實測斷面資料。

6 系統的優缺點

浮體式水面在線測流系統的優勢是可測得連續時間內的流量，穩定性、可靠性、智能化程度高，操作簡單，測速范圍廣，自體保護性能強；其缺點一是浮體式流速儀由鋼絲繩上牽引，側風較大時會影響其測驗精度。二是橫跨左右岸的鋼絲繩有一定弧度，風力較大時會出現擺動，同樣影響其測驗精度。三是浮體式流速儀由鋼絲繩牽引，只能固定于某一斷面，移動性較差。

7 結語

浮體式水面在線測流系統實現后可用于無人值守情況下實時動態監測水位流量變化過程，可提高儀器的可靠性和人員的安全性，降低測站的運行成本和人員的勞動強度，同時安裝維護方便，施工費用低，全自動穩定可靠，為加快先進水文儀器設備的開發積累有益經驗。

參考文獻

[1] 蔡培青.幾種主要測流方法的簡述[J].數字化用戶， 2017，13（4）：107.

[2] 丁志良.電波流速儀的原理與應用簡介[J].水利水文自動化，1991（2）：46-48.

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

[4] 中華人民共和國水利部.河流流量測驗規范[S].北京：中國計劃出版社，2015.endprint