運河水文站流量自動監(jiān)測系統(tǒng)建立與實現(xiàn)技術(shù)

趙德友

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

隨著江蘇省南水北調(diào)、通榆河北延及走馬塘等水資源配置工程開工建設(shè)，對水量的配置、監(jiān)控、調(diào)度、管理和考核提出了更高要求，要求在市(縣)際行政交接處和工程控制節(jié)點處進行流量自動、連續(xù)、在線監(jiān)測及控制。目前江蘇省流量測驗主要采用水文纜道、船測等傳統(tǒng)方式和手段，測驗強度大，間隔時間長，工作效率低，無法實現(xiàn)連續(xù)、自動、實時、在線監(jiān)測目標(biāo)。為此，江蘇省于 2004 年引進德國超聲波時差法測流儀，在徐州市運河水文站進行了探索性試驗和研究，取得了很好效果。本文著重從測驗河段選擇、斷面及測驗平臺設(shè)計、安裝調(diào)試及比測率定、應(yīng)用維護等方面進行研究與探討，以期為水資源配置工程水量測量自動化提供借鑒。

1 時差法工作原理

1.1 工作原理

設(shè)置單層或多層超聲波換能器斜交叉布置在河 2 岸，超聲波換能器由二次儀表控制，從河道的一岸順流發(fā)射超聲波，另一岸接收，然后再反向進行工作，根據(jù)順、逆流傳輸測到的時間差即可計算出相應(yīng)水層的平均流速，其工作原理如圖 1 所示[1]。

設(shè)超聲波在靜水中以恒定的速度 C 傳播，在有流速 v 的河流中，順流傳播時，傳播速度就應(yīng)是C + v；逆流傳播時，傳播速度應(yīng)是 C - v。

圖1 時差法測流原理圖

實際應(yīng)用時，在河道 2 岸安裝 1 對超聲波換能器，2 岸間要有電纜相連，超聲波信號從 A 換能器發(fā)射，由 B 換能器接受，所需傳播時間為 t1，則有下式：

式中：L 為換能器 A 和 B 之間的距離；v 為河道水流平均流速；θ 為聲波路徑與水流流向之間夾角。

相反，聲波信號從 B 換能器發(fā)射，由 A 換能器接受，所需傳播時間為 t2，則有下式：

由式 (1) 和 (2) 可得：

超聲波換能器安裝固定后，L 和 θ 是常數(shù)，只需測量順?biāo)湍嫠l(fā)收時間，就可以求得流速平均值。另外 1 個換能器向上發(fā)射超聲波，遇到水面時反射，再由同一換能器接收回波，根據(jù)時間差測出水深，如果是規(guī)則斷面則通過積分計算出流量，若為不規(guī)則斷面必須根據(jù)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，或通過標(biāo)定流量系數(shù)計算流量。

1.2 儀器配置

儀器由傳感器和控制記錄儀組成。控制部分自動控制儀器定時工作，并將測得的數(shù)據(jù)存儲在儀器中。備有通信接口，可以讀出存儲的測量數(shù)據(jù)，也可將測得的數(shù)據(jù)通過不同的通信方式傳遞出去。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

1）路徑長度：1～1000 m；2）流速范圍：±10 m/s；3）微處理器：基于 386SL 的單板機/25 MHz，4 MB 隨機存取，2 MB 內(nèi)存；4）SVGA 圖形控制器：可攜式分辨力為 800×600 像素；5）并行端口：COM1，COM2；6）監(jiān)測頻次：可設(shè)置每 5 min監(jiān)測 1 次；7）測速精度：±2 %。

2 自動測流系統(tǒng)建立

2.1 測驗河段選擇

京杭大運河運河鎮(zhèn)水文站是南水北調(diào)東線工程宿遷、徐州 2 市交界的重要控制站，主要控制駱馬湖北送進入徐州境內(nèi)水量。公路橋與鐵路橋之間為復(fù)式河床，河道順直，河床規(guī)整，無水量進出交換，水流狀態(tài)穩(wěn)定，符合時差法設(shè)備對測驗河段的技術(shù)要求。出于安全性及管理方便的考慮，時差法測流測驗河段選在鐵路橋上游 240～410 m 處，測驗河段平面布置如圖 2 所示。

圖2 運河站時差法測流設(shè)施平面布置圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 傳感器安裝位置設(shè)計

探頭安裝位置是否科學(xué)合理，決定了系統(tǒng)測驗精度的高低，主要從水平、垂直 2 個方向考慮。

1）水平向安裝位置分析確定

水平向安裝位置分析應(yīng)考慮以下因素：

a）2 岸換能器應(yīng)相互對準(zhǔn)，誤差不能大于3～5°，水流平均流向和超聲波傳播方向的夾角應(yīng)盡量控制在 45° 左右。

b）安裝探頭的河岸要求比較陡直穩(wěn)定，不易淤積；流速也不能過于紊亂，以免影響超聲波的發(fā)射、傳輸和接收。

c）儀器安裝位置離岸遠，則水深大，造價高，礙航，施工困難；離岸近，應(yīng)考慮其合理性、相關(guān)性及局部地形影響。

根據(jù)以上原則和影響因素，結(jié)合運河鎮(zhèn)水文站現(xiàn)場情況，左岸換能器選定距中泓岸邊 20 m 處，右岸換能器選定距中泓岸邊 20 m 處。

2）垂直向安裝位置分析確定

根據(jù)系統(tǒng)工作方式，測驗河段歷年最高、最低和平均水位，以及通航水位等分析確定探頭、設(shè)備安裝高程。

根據(jù)運河鎮(zhèn)水文站歷年水文資料分析，水位變幅為 26.50～20.50 m，供水測驗期水位變幅大多在23.50～21.50 m 之間變化，多年平均水位為 22.65 m， 參照天然河流中流速沿垂線呈對數(shù)分布的特點，儀器正常入水深度接近該斷面平均水深的60 %，儀器安裝高程為 21.50 m。

3）測驗平臺設(shè)計

京杭大運河為重要的通航河道，從穩(wěn)定性、安全性角度考慮，必須設(shè)計可靠的防撞保護設(shè)施。經(jīng)過實地考察，結(jié)合儀器正常工作后的維護和保養(yǎng)，施工安裝時，建設(shè)測驗平臺 2 座，分布在河道 2 岸。平臺的優(yōu)點如下：牢固可靠，能承受一定的碰撞；目標(biāo)位置醒目，可使過往船只注意避讓；便于儀器及其它附屬設(shè)備的安裝；正常維護十分方便。測驗平臺如圖 3 所示。

2.2.2 供電信號線設(shè)計

由于換能器安裝在運河 2 岸，儀器控制終端放在右岸設(shè)備用房內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場情況，供電信號線路可采用架空、河底鋪設(shè)、頂管穿越河床等方式。通航河流采用河底鋪設(shè)方式時，如保護措施不到位，容易被船只帶錨航行刮斷；采用頂管穿越河床方式，需要大型機械進場，工程投資較大；采用架空方式時，便于工程施工，但應(yīng)考慮防雷措施。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，運河站信號線纜過河采取架空方案。

圖3 時差法測驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 安裝與調(diào)試

時差法流量計，安裝調(diào)試由時差法設(shè)備供用商負(fù)責(zé)調(diào)試；測驗基礎(chǔ)設(shè)施及供電、信號線路布設(shè)由中標(biāo)單位負(fù)責(zé)建設(shè)實施。

3 比測試驗

3.1 并行測驗

在系統(tǒng)安裝、調(diào)試基礎(chǔ)上，為驗證系統(tǒng)性能及流量測驗精度，需對系統(tǒng)進行同步比測試驗。2005年7月6日～10月21日比測試驗期間主要的水情條件為：水位 22.98～23.68 m，流速儀所測流量變化范圍為 66.2～869.0 m3/s，時差法儀器所測流量變化范圍為 68.7～858.0 m3/s。采用流速儀和時差法儀器平行測驗，汛期每日 2 次，行洪期不定時加測，共施測 104 次流量。部分比測試驗成果如表1 所示。

表1 運河水文站時差法、流速儀流量測驗比測成果表

3.2 率定分析

應(yīng)用比測期間不同水位級、流量級采用水文測流纜道實測流量 63 次，與時差法測到的平均流量建立關(guān)系，繪制的相關(guān)關(guān)系圖如圖 4 所示。

由圖 4 可見，點群分布呈帶狀，經(jīng)分析關(guān)系式為：y ＝ －0.0002 x2＋1.1121 x－9.9079，相關(guān)系數(shù)R2＝ 0.9949。

從相關(guān)系數(shù)可以看出流速儀實測斷面平均流量與時差法所測流量有較好關(guān)系。

根據(jù) SL247-1999《水文資料整編規(guī)范》要求[2]，對所定水位流量關(guān)系進行關(guān)系曲線檢驗，分別進行符號、適線和偏離數(shù)值等檢驗，經(jīng)分析計算，統(tǒng)計值分別為 1.76，0.27，1.10，置信水平 1- α為 0.95 時，臨界值分別為 1.96，1.64，2.00。結(jié)果表明：率定線通過 3 種檢驗，定線合理。

根據(jù)時差法所測斷面與實測 2 種流量比較，并按要求進行精度分析，部分分析成果如表2 所示，在全部 54 測次中，有 84 % 的測次誤差控制在±10 % 內(nèi)，由此可見利用時差法測流精度較高。

圖4 時差法流量與流速儀流量相關(guān)圖

表2 運河站時差法測流率定分析成果表

4 結(jié)語

通過建立運河水文站流量自動監(jiān)測系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1）應(yīng)用時差法流速儀建設(shè)流量自動監(jiān)測系統(tǒng)是可行的，特別對于水資源配置和調(diào)水工程，以及實行最嚴(yán)格的水資源管理制度區(qū)域水量實時監(jiān)測更是一種先進的、可行的技術(shù)手段，可較好滿足區(qū)域水資源實時、自動、精確計量要求，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2）長期以來，流量的自動測報是個難題，運河水文站流量自動測流系統(tǒng)實現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的自動采集和報汛，為流量的自動監(jiān)測提供了有效的途徑。

3）利用本系統(tǒng)的水位、流速、流量等數(shù)據(jù)直接進行水文資料整編，減少了資料二次錄入帶來的錯誤，提高了水文資料整編質(zhì)量和工作效率。

4）輸水河道水面線平緩，通航頻繁，水位流量關(guān)系復(fù)雜，不能采用水位流量關(guān)系推流，流量測驗只能用船測法進行實測，花費大量的人力物力。建設(shè)流量自動測流系統(tǒng)能獲得長期連續(xù)的流量資料，可實現(xiàn)無人值守，有人看管，經(jīng)濟效益顯著。

5）儀器安裝地點測驗河段要順直，沒有水量進出交換，河道地形要平整，應(yīng)具備一定的水深，原則上儀器的聲束不能碰到河底和水面。

6）應(yīng)對豐、平、枯等不同水情進行比測試驗，選定不同水情的最佳關(guān)系線，不同水情下應(yīng)分別采用不同的關(guān)系推流。

限于資金問題，運河水文站在 2 岸測驗平臺只安裝 1 對探頭，若需進一步提高監(jiān)測精度，可在 2 岸測驗平臺安裝多對探頭，可較好解決區(qū)域水資源實時、自動、精確計量要求，具有較好推廣前景。

[1]姚永熙. 水文儀器與水利水文自動化[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2001: 97-98.

[2]劉雅鳴. 水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匯編水文卷水文測驗[M]. 北京：中國水利水電出版社，2002: 1102-1106.