流量計傳動調節裝置在聲學多普勒剖面儀安裝運行中的應用

梁志鋒LIANG Zhi-feng

（佛山市順德生態環境監測站，佛山 528000）

0 引言

傳統水質自動監測站測量的是水體中各項污染物濃度的變化，從地表水的環保監測到生態環境管理的升級轉換過程中，水質自動監測站的職能也從監測水體污染物濃度演變為監測污染物通量，在線ADCP 設備的應用，是實現河流水體污染物通量監測的重要手段。在線ADCP 設備安裝在水站采樣口的河流中，實時測量河流斷面的流量、流速、流向和水深狀況，通過流量與各污染因子濃度的乘積得到此空間時段水體污染物瞬時的污染物通量，對環境管理部門履行監控水體的污染物通量和調查環境生態容量等職能起到關鍵作用。

根據設備的安裝技術要求，在線ADCP 發射出的聲波與水平和垂直方向的傾斜角最大不能超過0.5°夾角，這個水平和垂直方向的傾斜角就稱為橫搖縱搖。目前，通常是采用兩種方式來調節設備安裝時的傾斜角：一是在深度不大的水體，人進入水中，用工具扭動螺絲來調節角度；二是在岸上把在線ADCP 設備預安裝在一個支架上，然后將支架連同設備一起放入水體中，通過支架在水面上安裝位置的調節，來糾正水下儀器的安裝角度。這兩項技術都存在：難度大、危險系數高、效率低和維護量多的缺陷，而且在運行過程中，不方便適時調整夾角。

在我區的羊額水質自動監測站（簡稱羊額站），在線ADCP 設備采用了流量計傳動調節裝置輔助安裝技術。流量計傳動調節裝置通過長距離導桿對遠端水下部分的裝置做了位置可調設計，同時位置調整后又可長期固定，使得安裝后儀器可以在技術要求的微角度任意調節，達到在岸上就能夠自如的調節水下設備角度并固定的目的，實現長期穩定的河流斷面流量在線監測[1]。

1 流量計傳動調節裝置原理

在線ADCP 需要安裝在水下，要求設備發射出的聲波與水平和垂直兩個方向的傾斜角（橫搖縱搖）最大不能超過0.5°夾角，在水下開展調整夾角作業，工作難度大、危險系數高和效率低。

流量計傳動調節裝置，儀器安裝連接板與儀器固定為一體，儀器可隨安裝連接板的角度變化而變化。在儀器安裝連接板與導軌上固定底板間的支點連接桿上，位于儀器安裝連接板的一端采用球面結構，儀器安裝連接板在角度變化時，可以依此為支點，保證中心位置不變。通過岸上一端導桿的螺絲轉動帶動儀器安裝連接板上螺絲位的變化，從而實現水平和垂直兩個方向的傾斜角度變化。在最后調節好滿足要求的傾斜角后，通過橫搖縱搖螺絲的兩個固定點和中間的支點連接桿固定點三個點，三點確定一平面，儀器也就固定在一個平面位置上，完全達到安裝的效果。技術員日常維護設備時只需提升儀器設備，在導軌的上端完成維護后再放回原處，微調后鎖定即可。

2 流量計傳動調節裝置組成結構

流量計傳動調節裝置組成包括：儀器安裝防護裝置、長距離導軌、長距離導桿、縱搖橫搖調節螺母。儀器安裝防護裝置包括：儀器安裝連接板、支點連接桿、儀器固定底板、縱搖調節臂、橫搖調節臂。（圖1）

圖1 中，左邊圖是流量計傳動調節裝置整體形狀，右圖是局部放大后的儀器安裝防護裝置。

左圖中，A：儀器安裝防護裝置，B：長距離導軌，C：長距離導桿，D：縱搖橫搖調節螺母；

右圖中，1、儀器防護欄，2、導軌固定架，3、長距離導桿，4、儀器固定底板，5、支點連接桿，6、防護裝置固定底板，7、縱搖調節臂，8、橫搖調節臂。

為了運輸安裝方便，長距離導軌設計成了模塊化，每2m 一個單元，現場安裝時，依據具體水深和高度狀況，按需選擇數量，然后組裝成型。儀器安裝防護裝置設有專用安裝底板，專用安裝底板采用高強度耐腐蝕料制成，底板預制滿足儀器安裝的孔位，便于對接安裝。儀器安裝防護裝置有設備安全防護設計，能抵御洪水的沖刷，能防止水中的雜物損傷設備。

3 流量計傳動調節裝置在羊額站的應用

3.1 在線聲學多普勒流量儀的安裝

根據在線ADCP 設備安裝的要求，安裝前需要先評估安裝位置即河道斷面是否滿足安裝條件有：①河道斷面水流態勢是否平穩；②河水是否有紊擾現象；③河底中間部分是否有暗礁或障礙物阻擋；④河道兩邊的灘涂是否過長；⑤河流斷面水深是否滿足要求；⑥還有上下游2km 范圍內是否存在大的支流匯入或者分支的情況等。因此，前期選點需要勘察安裝斷面的上下游及水下情況，水下情況采用走航ADCP 設備測量獲得。

羊額站采水口河道斷面位于北江流域順德水道的羊額村堤段，最大斷面寬度約680m，全年水深變化范圍在9-15m 之間，上下游2km 范圍內無大型的支流匯入或河流分支，河道走向平緩，歷史資料查詢到河流水體流速介于0.14-0.55m/s，適合在線ADCP 設備的安裝和測量。

由于羊額站采水口河道岸右岸的灘涂寬度較大，在線ADCP 設備安裝在離右岸邊約60m 的地方，借助水中燈塔的垂直立柱采用鉚釘方式固定，整套導軌高度為6m，在日常的平均水位時，水下約4m 處是儀器部分。由于河面較寬，羊額站選用了300m 量程的在線ADCP 監測設備，根據走航監測的結果，在整個超聲波到達的地方，水下均沒有阻擋物體，距離水面水底均有一段理想空間，是合適的安裝位置。

3.2 率定曲線

率定工作是指通過利用走航ADCP 測量數據與在線ADCP 測量數據建立關系曲線，校準在線ADCP 設備測量的數據，使之滿足誤差范圍的過程[2]。通常斷面平均流速與指標流速間呈二元線性程，平均流速V 與在線ADCP 所測流速Vi 及水深H 間的關系為：V=b1+b2Vi+b3HVi （1）

上述公式中的b1、b2、b3 是常量，可通過方程回歸獲得，在進行二元回歸計算時，代表流速是第一個參數，水位與代表流速的乘積為第二個參數。

3.2.1 水位與斷面過水面積關系

水位比測是將在線ADCP 水位與ADCP 實測水位兩者之間進行比較。在線ADCP 水位是通過儀器安裝高程和儀器至水面的水深相加得到。ADCP 實測水位由儀器返回數值顯示出來。水位的高低轉換直接導致斷面面積的變化，也就是說，斷面過水面積也不是固定不變的常量，是實時改變的，因此需要建立斷面過水面積與水深之間的關系式。

水位與面積關系是由每次走航所測斷面面積與HADCP 所測水位高度進行二元線性擬合（圖2），經過三年的測驗，在不同的流量或水位情況下進行監測，得到一組斷面過水面積與水位的數據，這些數據涵蓋了河流的最低和最高水位，在不同的流量和水位級的情況分別采集了30 個以上樣本[3]，具有代表性和全面性，經過回歸分析計算得到羊額站斷面H-ADCP 中水位（H）與面積（A）的線性關系方程為：A=85.025H2-1888.5H+14540 （2）

3.2.2 平均流速V 和代表流速Vi 的獲取

安裝調試完畢后，需對在線聲學多普勒流量儀進行率定，率定必須涵蓋該河道的日常水位和最高最低水位的測量數據，擬合了回歸方程，得到率定曲線。率定過程如下：

按照率定要求，首先選取了斷面的代表流速，跟據實際走航的數據分析，距離監測儀100-150m 區間的回波信號相對穩定，流速紊動及干擾較小，選定了100-150m 區間的流速為代表流速。開展走航監測，斷面平均流速V 為多次走航實際監測整個斷面流速的平均值，在線儀進行實時監測，其測量值為代表流速Vi。通過走航ADCP 進行走航測量，同時結合在線ADCP 設備與之相對應時間的實時監測數據，通過二元線性擬合得到系數b1、b2 和b3。羊額站指標流速通過H-ADCP 采集的數據在相應的流速單元內進行回放得到。走航ADCP 斷面平均流速的計算是通過實測流量直接得到。其計算公式如下：

本次計算選取了三年數據，流速變化范圍在線性范圍分布比較平均，水位變化范圍大，數據代表性較高，因此可以進行流量公式的擬合。

3.2.3 建立二元線性回歸方程

根據指標流速和走航ADCP 斷面平均流速，建立二元線性回歸方程為：V=b1+b2Vi+b3HVi （4）

通過對表1 數據率定代表流速Vi 與平均流速V 的關系回歸分析，得出指標流速與走航式ADCP 斷面平均流速的關系為：V=0.002+（0.88+0.009H）Vi （5）

表1 羊額站率定比測數據匯總表

獲得代表流速Vi 的目的就是要準確計算出斷面的流量Q，斷面流量計算方程如下：Q=AV （6）

計算斷面流量，須獲得斷面的過水面積，而過水面積又伴隨水位的高低不斷變化，因此需要獲得斷面過水面積與水深H 之間的關系式，常用公式：A=a1H2+a2H+a3 （7）

完成斷面流量的計算，首先就要理清水位、斷面面積與水位關系，平均流速V 與代表流速Vi 之間關系。建立斷面 流 量 公 式 為：Q=（85.025H2-1888.5H+14540）[0.002+（0.88+0.009H）Vi] （8）

3.3 運行維護前后誤差對比

3.2.3 中得到的流量公式，在日常的工作中得到了大量數據的驗證，準確度非常高。日常設備養護是把在線ADCP 設備從水中提升至水面，再進行清潔保養工作，然后通過導軌復位，通過遠程導桿調節橫搖縱搖角度使之與維護前相同。

從表2 可以知道，測量誤差范圍在±6%以內，流量波動較小，而且從數據來看，流速的相關性較好，符合準確度要求。

表2 羊額站率定比測流量誤差分析表

由于流量計傳動調節裝置的使用，日常維護工作對在線設備安裝位置的變動在誤差范圍內，維護時間非常短，沒有受到漲退潮的影響，佐證了該裝置的使用使得維護工作變得非常方便快捷，與傳統的安裝方式相比，具有明顯的技術優勢。誤差的來源理論上主要來自“航向測量引起的誤差”和“船速測量引起的誤差”兩個方面。

3.4 質控數據對比情況

每月的維護工作要求完成率定在線ADCP 設備必須進行一次質控比對工作，以走航ADCP 設備測量數據為基準進行誤差分析。表3 以羊額站2020 年和2021 年兩年率定的質控數據進行分析。

表3 羊額站質控數據比對表

從表3 中看出，6 次質控數據比對誤差均在±2.5%以內。原因分析：一是該站的在線ADCP 設備經過幾年的率定，測量數據覆蓋了多個水位、多個流速的情況，此率定曲線具有全面性；二是證明流量計傳動調節裝置穩定性很好，完全滿足在線ADCP 設備的長時間連續運行。

4 結論

流量計傳動調節裝置的應用，有效提升在線聲學多普勒流量儀運行效率，保證在線聲學多普勒流量儀安裝方便，橫搖縱搖易于調節，運行準確穩定，減少因安裝不當帶來的誤差。大大方便儀器設備的維護工作，減少了不必要的水下維護工作，避免由于把設備拆除到岸上維護后再安裝帶來的數據不可比性。該裝置的應用維持了儀器設備的準確度、測量數據的前后可比性，延長設備的運行壽命。尤其是在環保領域，通過準確的河流通量數據計算出的污染物通量數據，對沿岸排污口的設置和運行質量提供了數據支撐，對污染物通量的長期變化有數據依據，使得地方生態環境管理質量更上一層樓。