超聲波多普勒流量計在后峽水文實驗基地流量測驗中的應用

邸飛艷

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著科學技術的高速發展，過去對水資源及水文學的研究方法及工具逐漸不再適用，傳統的方法及測量工具使用操作不便，精確度較低，測量數據單一，測量工作需要耗費較高人力物力。河流流量的測量方法有很多，其中超聲多普勒流量計是目前廣泛應用的一種測量方法。超聲多普勒流量計利用聲波的多普勒現象來測量流速，其非接觸的特性非常適合于寬河道的測量。

1 研究區域

后峽水文實驗基地站是烏魯木齊河上游控制站，天山北坡徑流試驗基地，集水面積381 km2，河道長度33.9 km。經水文站試驗，河段順直、水流集中、斷面穩定，可滿足高、中、低水位水文試驗要求。斷面以上各監測點的水文信息能否準確測量和傳輸，直接影響烏魯木齊市的防洪指揮，因此其地理位置十分重要。但后峽水文站作為區域代表性站，降水豐富，山洪頻發，交通不便，人工流量監測難度較大[1]。

烏魯木齊河位于天山北坡中段，起源于天格爾二號峰附近的第一冰川，來源在海拔4 479 m以上，其西部與屯河水系相連，東部與板房溝河支流相連。河流大致由南向北流動，與支流匯合進入烏拉博水庫，沿和平運河向下游流經烏魯木齊市區，最后到達東島海子，全長214 km，總長流域面積4.684 km2[2]。烏魯木齊河是融化的冰雪、降雨和地下水的混合物。

后峽水文實驗基地站位于河口上方約10 km處，流域面積924 km2，年均徑流量2.45×108m3[2]。烏魯木齊河發源于山區，河流沿坡度大、流量短的河流發展。在洪水季節，突發洪水通常是由陣發性大雨或大雨引起的。由于洪水變化很大，故難以及時準確地估計其洪峰和洪量。因此，對下游烏拉博水庫的防洪工程和措施等，尤其對烏魯木齊市的安全構成了威脅。

2 超聲波多普勒流量計工作原理

超聲波是波長非常短的機械波，頻率通常高于20 kHz[3]，但它頻率高，可以聚集更多的能量，穿透力強，傳輸距離長，被廣泛用于河道流量測量等[3]。超聲波多普勒流量計基于流體流量對其內部聲波信號的影響，并通過檢查聲波信號的變化獲得流量信息。當被測介質的流速不同時，超聲脈沖的傳播速度在其坐標系(如儀器外殼)內部也大不相同，并且傳播速度和介質相關。該方法分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相關法以及噪聲法等[4]。

組件包括超聲波換能器、信號傳輸電纜以及后續的信號處理裝置，即超聲發射器和接收器，主控制芯片及其外圍電路[5]。超聲波多普勒流量計的管壁上一般安裝有超聲波換能器，可把輸入的電功率轉換成超聲波再發射出去[5]。換能器需要做好屏蔽措施，以防外界噪聲干擾等因素影響超聲波回波信號準確度。

3 應用實例

本研究以烏魯木齊河上游段的后峽水文實驗基地站河流為研究地區，在已有傳統流速儀測得的試驗數據的分析與研究的基礎上，采用超聲波多普勒流量計(型號為NF—LSX—1，測量范圍為±5 m/s，精度為±1 cm/s)進行測量分析。在測量區域合理安裝測量點，并配置多普勒超聲流量計頭。當流量計處于良好狀態時，可以實現對河流流速的在線監測。同時，該站研究了多點測量方法以確定側向流速，在橫向流速相對急劇變化的點選擇測量點(見表1)。

表1 不同條件的河道斷面測點布設情況

在實測過程中發現，進行垂向流速測量時，流量計放置于斷面內區時可獲得更加精準的測量數據。實測時一般要求河道斷面區域數量通常大于垂向測點數量，故將河道斷面橫向等分為5～10個區域進行測量，將數據代入公式(1)、(2)計算可得垂向平均流速[6]，從而可以求出斷面平均流速，進而推求得到斷面瞬時流量：

(1)

式中，u、V分別為測線上任意一點的流速與平均流速；a、b為垂向流速分布系數；y為測點離渠底距離，H為水深。

(2)

式中，c為垂向流速分布系數；其他如上。

在后峽水文實驗基地站河道中，選取河道斷面多個測量點位，分別用預測示差流速儀法和傳統兩點法對所研究河道進行斷面流速分析，并將計算出的平均流速與人工實測流速進行比較(見表2、表3)。

表2 河道流速計算值與實測值對比(預測示差法)

表3 河道流速計算值與實測值對比(傳統兩點法)

可以看到，這兩種方法在河道流速測量中的誤差均在±5%以內，滿足規范要求。對于河道流速測量要求來說，使用超聲波多普勒流量計精度相對較高，操作方法可行，數據可實時獲取。

4 結 語

超聲波多普勒流量計具有非接觸式、無阻撓且無壓力損失等優點，在流量測量領域廣泛應用。為了獲得更精確的流量測量數據，工作技術人員需要按照超聲波流量計使用要求與當地區的實際情況相結合，不斷探索，努力提高超聲波流量計的工作效率。本研究以烏魯木齊河上游段的后峽水文實驗基地站河流為研究地區，選定不同的河道斷面，利用超聲波多普勒流量計，分別用預測示差流速儀法和傳統兩點法對選定的河道進行斷面流速分析；并將計算出的平均流速與人工實測流速相比較，得到超聲波多普勒流量計使用便捷且結果可行，能夠滿足規范要求。

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