超聲波時差法測流技術在三角洲站的應用

2020-07-25 09:25:02李飛

湖南水利水電 2020年3期

李飛

（長沙水文水資源勘測中心，湖南長沙 41000）

前言

21 世紀初，黨中央與時俱進提出“水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源”；黨的十八大提出“建設生態文明”。由于我國自然條件復雜，水資源時空分布嚴重不均，由此帶來的洪澇災害和用水矛盾事件頻繁發生。已成為制約我國可持續發展的主要瓶頸之一。黨和政府在堅持抓好防汛減災的同時，提出要大力發展民生水利，實行最嚴格的水資源管理制度，把嚴格水資源管理作為加快轉變經濟發展方式的戰略舉措。要搞好防汛減災和水資源的合理配置，抓好水文監測是關鍵。

2019 年以來，水利部鄂竟平部長多次強調指出水文要下大力氣研究和應用新技術，改進監測手段和方法，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代化建設進行了安排和部署，要求加快應用新技術新設備，提升水文測報自動化水平。

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

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備的選擇

由于三角洲水文站斷面較寬，底部受水草影響，實施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，因此，固定式電波流速儀在本站也不太適合。經查勘，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4.5 m，為典型的“U”形河床，河底雖有水草，但選擇適當的高程和安裝方式，完全可以實施超聲波時差法測流。因為河寬不便鋪設電纜，可采用無線超聲波時差法設備。

3 無線時差法在線測流系統測流原理

超聲波時差法的工作原理是：由于測流介質是流動狀態的，存在介質波，當超聲波在該介質中單向來回傳播時，如果同一平面上介質波方向與超聲波方向呈一定傾斜角，超聲波與介質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，利用公式可計算出介質斷面的平均流速V，并通過測流介質斷面的剖面面積A，計算出流量Q。也即：超聲波時差法是利用超聲波在測流介質里的兩點間來回方向傳輸的時間差來計算流速和流量的。

傳統的超聲波時差法需要在測驗河段的兩岸間架設換能器電纜，對應用造成了限制。為解決河面寬而不便于架設電纜的困難，無線時差法采用了主、輔機結構，利用衛星授時信號將主機和輔機工作在絕對同步狀態（實際同步誤差不大于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備結構。

4 時差法在線測流系統組成和安裝

2018 年，三角洲水文站引進了一套28 kHz 無線超聲波時差法測流儀（包括主機、輔機和換能器）（選擇進口設備也是基于國內沒有無線時差法類似產品），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 的技術指標。并與國內設備配套形成在線測流系統。系統由超聲波時差法測速儀、水位計、數據采集設備（RTU）、通訊設備、供電系統、機箱等組成。

根據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。

經過實地查勘，且按照時差法在線測流技術規范，綜合考慮測流河段相對順直，測驗區域內無岔流，無嚴重紊流，換能器周圍無排水管道，遠離水工建筑，河床穩定，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。系統主機安裝在左岸，在傾斜式河堤內側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箱，機箱內安裝時差法主機、氣泡水位計主機、電源系統、衛星終端、通信終端、GPRS 模塊等。

系統輔機安裝在左岸，換能器安裝于固定在垂直河堤的專門軌道上，輔機機箱安裝于軌道旁邊的堤岸上，機箱內安裝有時差法輔機、電源系統、衛星終端、通信終端等。

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

在后續的調試運行中發現，該聲道換能器接收信號較好，系統運行較為穩定，時差法所測層流速與斷面平均流速的相關關系良好。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比測率定

5.1 比測過程與結果

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方式，與直接全斷面流速測驗有所不同。因此，以層平均流速代替斷面平均流速計算流量時必須事先對層平均流速進行修正。據水力學原理，層平均流速與斷面平均流速間存在很強的相關關系，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系數，將這個系數置入時差法設備中，在以后的運行中，時差法設備輸出的經過修訂的流量數據就可認定為精確的流量數據了。

2019 年3 月10 日至7 月19 日共進行了30 次流量比測。

由于已進入汛期，水位變幅比較大，有低、中、高水比測數據。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。實測最大流量1 010 m3/s，相應水位為33.70 m；實測最小流量86.0 m3/s，相應水位為33.89 m。

三角洲站在線流量與實測流量關系見圖2。

圖2 三角洲站在線流量與實測流量關系

經計算，比測綜合誤差為-2.2%，相關系數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，受湘江頂托影響嚴重，但比測結果仍顯示超聲波時差法在線測流系統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在受回水頂托影響的水文站點，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大雨對流量影響較大，因此在比測的過程中，有幾次測量數據誤差較大，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 提供一個數據，且局部相鄰數據有差異較大的現象，下一步生產廠家將奇異值進行過濾，保證流量過程平穩變化。

6 后期運行情況

時差法在線測流系統安裝試運行期間，數據表現良好，未出現重大故障事故。抗環境影響能力較強。三角洲站2020 年出現高洪暴雨時，設備仍然運轉正常。在惡劣的天氣環境中，整個系統運轉正常，數據較為穩定。河岸環境復雜，臨近居民區，較多漂浮物，水流沖擊探頭無擺動幅度，儀器設備能很好抵抗高洪水的沖擊并且滿足洪水監測的需求，以及防洪防汛的流量監測需求。