超聲波測(cè)量技術(shù)在引嫩工程實(shí)例渠道流量中的應(yīng)用

付 慶，王新穎

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江安達(dá)151400)

1 渠道超聲波測(cè)量技術(shù)概論

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

圖1 H－ADCP工作原理圖

系統(tǒng)流量測(cè)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(gè)聲學(xué)傳感器位于同一平面上，并成一定角度向?qū)Π栋l(fā)射，超聲波遇到水中和水一起流動(dòng)的懸浮物會(huì)產(chǎn)生反射，部分聲波反射至發(fā)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(fā)生變化，根據(jù)頻率變化的大小可計(jì)算出本層水流某一段上各點(diǎn)的二維矢量流速;只要測(cè)驗(yàn)范圍達(dá)到斷面主槽，就能建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速的關(guān)系。另一束超聲波則向上發(fā)射，遇到水面反射來測(cè)得水深，根據(jù)水深和儀器安裝高程算出水位，由“水位－過水面積關(guān)系表”得到過水面積?？刂破骰螂娔X利用H－ADCP提供的流速數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)采用“指標(biāo)流速法”實(shí)時(shí)計(jì)算流量，如圖2所示。

圖2 H－ADCP測(cè)量流速圖

2 水位測(cè)量

H－ADCP可以利用超聲波垂向波束測(cè)量探頭的入水深度，加上H－ADCP探頭的安裝高程即可進(jìn)行水位測(cè)量。但是H－ADCP測(cè)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(duì)超聲波信號(hào)的衰減嚴(yán)重，垂向波束的有效測(cè)量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)＜10 m，如圖3所示。

圖3 水位測(cè)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(duì)超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重而造成測(cè)量的水位數(shù)據(jù)無(wú)效，可以通過外接水位計(jì)采集水位數(shù)據(jù)。外接水位計(jì)的種類可以是浮子機(jī)械編碼水位計(jì)、氣泡水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等。通過軟件設(shè)置，可以選擇是否采用外接水位計(jì)的水位數(shù)據(jù)。詳見圖4。

圖4 ADCP控制器外接水位計(jì)示意圖

3 流量測(cè)量

H－ADCP通常側(cè)向安裝在岸壁上，其流速測(cè)驗(yàn)聲束指向水平方向。H－ADCP實(shí)時(shí)采集水平線上的流速分布數(shù)據(jù)。用戶根據(jù)實(shí)際的斷面水文情況，利用這些數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)牧魉偎惴识℉－ADCP測(cè)驗(yàn)出的層平均流速與斷面平均流速的關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系可以計(jì)算出斷面平均流速，從而達(dá)到流量在線監(jiān)測(cè)的目的。目前最常用的流速關(guān)系率定算法是指標(biāo)流速法。

指標(biāo)流速法的基本原理是建立斷面平均流速與指標(biāo)流速(即某一實(shí)測(cè)流速)之間的相關(guān)關(guān)系(即率定曲線或回歸方程)。指標(biāo)流速實(shí)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(rèn)為是河流斷面上的總體流速。因此，指標(biāo)流速法的本質(zhì)是由局部流速來推算總體流速。在實(shí)際應(yīng)用中，有3種局部流速可以用來作為指標(biāo)流速:①某一點(diǎn)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(nèi)的平均流速。H－ADCP測(cè)驗(yàn)的是水平線平均流速。需要指出的是，H－ADCP只能測(cè)驗(yàn)?zāi)骋凰畬犹幠骋凰骄€段內(nèi)的線平均流速，并不是整個(gè)河寬范圍內(nèi)的水平線平均流速。但是相關(guān)流速測(cè)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)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(nèi)的水平線平均流速作為指標(biāo)流速。率定流速關(guān)系需要兩個(gè)步驟:現(xiàn)場(chǎng)斷面平均流速和指標(biāo)流速的采樣。在現(xiàn)場(chǎng)采用H－ADCP進(jìn)行指標(biāo)流速采樣的同時(shí)，需用人工船測(cè)或走航ADCP測(cè)驗(yàn)流量和斷面面積，從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)同步采樣需要在不同的流量或水位情況下進(jìn)行。這樣就得到一組斷面平均流速與指標(biāo)流速以及水位的數(shù)據(jù)。這樣根據(jù)多組數(shù)據(jù)計(jì)算即可率定出流速關(guān)系。

采用指標(biāo)流速法率定流速關(guān)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(gè)斷面平均流速的變化情況，所以能否用H－ADCP的實(shí)測(cè)流速與斷面平均流速率定出良好的關(guān)系，這與H－ADCP的安裝位置和選型有關(guān)。詳見圖5。

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

圖5 600 kHzH－ADCP有效測(cè)量范圍

如果選用300kHz的 H－ADCP，其波束擴(kuò)散角度為2.2°，如果在主瓣影響下需要達(dá)到近90 m的有效測(cè)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(cè)量范圍只有10 m左右。詳見圖6。

圖6 300 kHzH－ADCP有效測(cè)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(cè)量范圍，水位在320.57 m以上能滿足有效測(cè)量范圍，如果水位下降，有效測(cè)量范圍也在縮短。這樣就需要根據(jù)不同的水位選擇不同的流速單元與斷面平均流速建立關(guān)系。從該斷面可見，320.57 m就是一個(gè)水位節(jié)點(diǎn)，如果單元數(shù)量設(shè)置為90，單元長(zhǎng)度設(shè)置為1 m，水位在320.57 m以上，可以選取用87個(gè)單元的單元流速與斷面平均流速建立關(guān)系，當(dāng)水位降低到320.57 m以下，就選取43個(gè)單元的單元流速與斷面平均流速建立關(guān)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(cè)量范圍，不影響測(cè)流精度。在汛期水位較高的情況下，如果含沙量增加，有效測(cè)量范圍可能變小，這主要根據(jù)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)判斷，需要根據(jù)測(cè)量斷面長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)比對(duì)分析確定含沙量與有效測(cè)量范圍的關(guān)系。

3.4 儀器安裝角度的影響

H－ADCP探頭內(nèi)部安裝有角度傳感器，可以測(cè)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(shí)最好保證這兩個(gè)角度為0度，不過縱擺角度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷面情況可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4 數(shù)據(jù)采集

H－ADCP探頭內(nèi)部包含的2個(gè)水平方向超聲波換能器主要用來測(cè)量流速數(shù)據(jù)，1個(gè)垂直方向超聲波換能器用來測(cè)量入水深度數(shù)據(jù)，傾斜傳感器采集角度數(shù)據(jù)，溫度傳感器采集水溫?cái)?shù)據(jù)，壓力傳感器采集水壓數(shù)據(jù)。詳見圖7。

圖7 H－ADCP探頭結(jié)構(gòu)圖

H－ADCP探頭的數(shù)據(jù)輸出格式有PD0、PD14和PD19格式，其中PD0模式數(shù)據(jù)包含最全的信息量，且數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，故一般情況下采用PD0的數(shù)據(jù)輸出格式。

PD0模式的輸出數(shù)據(jù)包含10類數(shù)據(jù)，分別是恒定數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、流速剖面數(shù)據(jù)、相關(guān)量剖面數(shù)據(jù)、回波強(qiáng)度剖面數(shù)據(jù)、有效數(shù)據(jù)百分比剖面數(shù)據(jù)、狀態(tài)剖面數(shù)據(jù)、水面跟蹤狀態(tài)數(shù)據(jù)、水面跟蹤命令數(shù)據(jù)、水面跟蹤幅度數(shù)據(jù)等。其輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的計(jì)算為:6+2×(數(shù)據(jù)類型)+53(恒定數(shù)據(jù))+65(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù))+2(流速剖面數(shù)據(jù)幀頭)+8×單元數(shù)量+2+4×單元數(shù)量+2+4×單元數(shù)量+16+(7×脈沖數(shù)量－1)+28+46+2(保留位)+2(校驗(yàn))。如果單元數(shù)量設(shè)置為100，脈沖數(shù)量設(shè)置為20，則每次輸出數(shù)據(jù)字節(jié)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(cè)驗(yàn)的采樣間隔設(shè)置為5 min，每次流量測(cè)驗(yàn)為消除水流脈動(dòng)采集6組數(shù)據(jù)計(jì)算平均流速，則每5 min數(shù)據(jù)采集單元接收到的數(shù)量是1983×6=11898kB，如果這些原始數(shù)據(jù)全部保存，每天的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為3.28M。

流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最后的輸出數(shù)據(jù)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(guān)系，需要保存各單元平均流速。為了分析數(shù)據(jù)的有效性，需要保存各單元的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)斷面情況和水情狀況，需要保存用戶設(shè)置的單元長(zhǎng)度、單元數(shù)量、脈沖數(shù)量等H－ADCP工作參數(shù)。

5 數(shù)據(jù)比測(cè)

北引渠道共設(shè)置了渠首站、零號(hào)戰(zhàn)、大慶水庫(kù)進(jìn)水閘、紅湖水庫(kù)進(jìn)水閘4處流量采集裝置。超聲波流量計(jì)我處采用的是美國(guó)RDI公司的600K固定式流量計(jì)，固定在渠道中。使用太陽(yáng)能和蓄電池進(jìn)行供電。測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在采集設(shè)備的LCD屏幕上。

經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)量，4個(gè)測(cè)站采集的數(shù)據(jù)見表1。在不同流量，不同水位下測(cè)量的數(shù)值的誤差在5%左右，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。使用人工旋槳方法測(cè)流，測(cè)量一組數(shù)據(jù)需要1 h左右，需要兩個(gè)人同時(shí)操作。使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，瞬間就可以測(cè)出數(shù)據(jù)，大大的提供了工作效率，并且節(jié)約了人力物力。

表1 測(cè)站采集數(shù)據(jù)表

［1］黑龍江省防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測(cè)局.國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程齊齊哈爾水情分中心示范區(qū)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)(綜合報(bào)告)［R］.哈爾濱:黑龍江省防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測(cè)局，2000.

［2］黑龍江省防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測(cè)局.國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程哈爾濱水情分中心信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，黑龍江省水文水資源勘測(cè)局，2000.

［3］詹若濤.電信網(wǎng)與電信技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社.