超聲波時差法在平原渠道流量監(jiān)測中的應(yīng)用

吳景峰，劉 峰

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

面對水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性、準(zhǔn)確性要求越來越高的嚴(yán)峻形勢，不斷提高自動化監(jiān)測水平是解決問題的有效途徑。2021年全國水文工作會議提出“推進(jìn)水文監(jiān)測自動化，全面提升水文支撐能力”的戰(zhàn)略，《河湖生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)指南（試行）》文件要求“完善生態(tài)流量管控?cái)嗝娴乃谋O(jiān)測設(shè)施設(shè)備，提升自動化水平”。河流流量在線監(jiān)測主要方式有超聲波多普勒法、超聲波時差法、電波法、水力學(xué)法[1]。水平式聲學(xué)多普勒剖面流速儀（H-ADCP）可檢測水層單元流速分布，但一般采用局部代表流速分布數(shù)據(jù)參與斷面流量計(jì)算；V-ADCP 可監(jiān)測垂線單元流速分布，但易受斷面淤積影響；電波法為非接觸式水面流速測量方法，易受惡劣天氣和測量角度影響；水力學(xué)法對水工建筑物的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求較高，且造價昂貴。平原河道水流速度小，南水北調(diào)及引黃輸水?dāng)嗝嬷饕菫榱吮O(jiān)測水資源量，收取水費(fèi)，應(yīng)盡可能采用高精度在線流量測量系統(tǒng)監(jiān)測。隨著電子信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，超高頻元器件、信號鑒別電路及濾波技術(shù)的不斷更新，使用超聲波原理測量河道、渠道流量變得越發(fā)可行[2]。目前，我國水文站安裝使用的超聲波時差法流量監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)）多為國外設(shè)備[3-6]，國產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用鮮有報(bào)道。鑒于此，使用我國自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)，在華北平原引水渠道的衡水市東油故站開展應(yīng)用試驗(yàn)和研究，驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)性能及流量測驗(yàn)精度。

1 超聲波時差法測流工作原理

超聲波時差法利用超聲波在水流中的傳播特性，用 1 組或多組超聲波換能器測量同水層平均流速，采用水位計(jì)測量水深，根據(jù)測量的各層流速和水深自動計(jì)算流量。

1.1 流速測量原理

超聲波在順流渠道中的傳播速度比在逆流渠道中傳播速度快。通過超聲波換能器測得固定距離情況下順、逆流方向的傳輸時間，用 2 個方向上傳播時間差求解測線平均流速，這種方法稱為時差法。根據(jù)換能器的頻率，測量河寬可為 0.5～2 000.0 m，測流誤差不應(yīng)超過 ± 5%。在河道兩岸安裝超聲波換能器 A 和 B，時差法測量流速工作原理[7]如圖 1 所示。

圖1 時差法測量流速工作原理概要圖與示意圖

換能器 A 和 B 之間的超聲波傳播時間分別為

式中：t1，t2分別為超聲波信號由換能器 A 到 B 及 B 到 A 的傳播時間；L為換能器 A 和 B 之間的距離；c為超聲波在水中傳播的速度；v為河道某水層平均流速；θ為聲波路經(jīng)與水流流向夾角。

由式（1）和（2）解得河道某水層平均流速為

流速計(jì)算與水中聲速無關(guān)，只與傳播時間及流向和路徑之間的角度有關(guān)。

1.2 流量計(jì)算方法

渠道流量等于流速與斷面面積之積。人工渠道主要有梯形和矩形 2 類斷面，較大的渠道一般采用梯形斷面，矩形斷面的渠道往往尺寸較小。由于 2 個換能器測量的是一個水層的平均流速，而整個斷面表面和底部的流速差別較大，因此，多層聲道方式優(yōu)于單聲道方式，一般要測 3～4 個水層流速，這樣能較好地覆蓋從底部到水面各個深度水層流速，提高測流準(zhǔn)確性，也不會因?yàn)閭鞲衅鲾?shù)量過多而導(dǎo)致造價飆升。明渠過水?dāng)嗝媸疽鈭D如圖 2 所示。

圖2 明渠過水?dāng)嗝媸疽鈭D

由于明渠底部起伏不平，將邊坡上低于換能器1A-1B 且坡度改變處的高程定為Z0，測量并計(jì)算Z0以下不規(guī)則斷面面積S0，則明渠過水橫斷面面積S為

采用多元線性回歸分析法，計(jì)算過水?dāng)嗝嫫骄魉賤，公式為

由斷面面積和平均流速計(jì)算的流量公式為

由式（4）～（6）得明渠時差法流量多元線性回歸模型為

式中：Z為水面高程，即水位；b0為Z0處渠道寬度；m為邊坡系數(shù)；vi為換能器所在水層上測定的水流速度；Q為斷面流量；Qi為相應(yīng)水層測定的流速與面積之積；ki為回歸系數(shù)；C1和C為回歸常數(shù)。

渠道中的水面高度采用自記式水位計(jì)測量，由式（4）計(jì)算出斷面面積，每一水層流速指的是換能器之間水層的平均流速。用實(shí)測流量與各層流速計(jì)算的流量建立相關(guān)關(guān)系，求得渠道流量。SL 195—2015《水文巡測規(guī)范》規(guī)定，聲學(xué)時差法與實(shí)測流量建立相關(guān)關(guān)系時，實(shí)測流量可用轉(zhuǎn)子式流速儀法或走航式 ADCP 測量[8]14。走航式 ADCP 儀器檢定的測量不確定度和流量測驗(yàn)精度要優(yōu)于流速儀[9]，已被廣泛應(yīng)用于基本水文站和引水工程水量監(jiān)測站，監(jiān)測成果整編入《水文年鑒》[10]；由于 M9 走航式聲學(xué)多普勒剖面流速儀（以下簡稱 M9）精確度高于 LS68 型轉(zhuǎn)子式流速儀[11]，且具有全天候、高精度、高效率、自動化的諸多優(yōu)點(diǎn)，故采用 M9 開展比測試驗(yàn)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程和功能

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

監(jiān)測系統(tǒng)主要由超聲波換能器、自記水位計(jì)、流速信號處理器、流量在線監(jiān)測控制器（以下簡稱控制器）、通信模塊、電源系統(tǒng)、避雷設(shè)施等組成，采用太陽能直流供電，平均功耗只有 2.5 W，適用于野外工作。監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如下：1）控制器先發(fā)指令給自記水位計(jì)，令其采集水位數(shù)據(jù)，計(jì)算河道斷面面積，并由水位值獲知有幾對換能器被水淹沒，淹沒深度至少 30 cm 才可以測量，未被淹沒或者淹沒深度不夠的換能器不參與工作；2）流速信號處理器接收到控制器發(fā)來的測速指令后，換能器驅(qū)動發(fā)送信號并開始計(jì)時，信號切換給相應(yīng)的分層換能器（A 或 B），對岸的分層換能器（B 或 A）信號經(jīng)放大濾波后由處理器接收，計(jì)時終止，根據(jù)式（3）計(jì)算水層流速；3）每測完一層流速后立即將該層的流速數(shù)據(jù)發(fā)給控制器，測完所有分層的流速數(shù)據(jù)后，控制器根據(jù)時差法多元線性回歸模型，將采集到的水位和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的分析計(jì)算得到流量；4）最后通過數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）將所有測量數(shù)據(jù)，包括水位、各層流速和總流量發(fā)送至云平臺數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖 3 所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)每 10 min（可根據(jù)需求自行設(shè)定）監(jiān)測 1 次流量，1 個流程大約需要 6 min，也就是每小時的每個 10 min 的前 6 min 是工作時間。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能

監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：能適應(yīng)當(dāng)?shù)厮魈匦约皽囟取穸?、氣壓等環(huán)境因素，能夠抗干擾，防雷電；能對河道水位、斷面流速等進(jìn)行 24 h 連續(xù)在線監(jiān)測；能根據(jù)采集的水位、流速實(shí)時計(jì)算流量；監(jiān)測數(shù)據(jù)能長期可靠存儲；具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，可將實(shí)時水位、流速、流量通過公共通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮罩行?；可人工修訂大斷面?shù)據(jù)和流量模型回歸系數(shù)；安裝視頻監(jiān)控裝置可輔助遠(yuǎn)程管理，實(shí)現(xiàn)無人值守，有人看管的運(yùn)行方式。監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 測站基本概況介紹

東油故水文站屬于引黃輸水專用站，是清涼江入衛(wèi)千渠的分水口控制站，向衡水湖補(bǔ)充生態(tài)用水。測驗(yàn)斷面上游 150 m 處為入衛(wèi)千渠控制閘，測驗(yàn)河段順直，沒有水量進(jìn)出。測驗(yàn)斷面呈梯形，河床兩岸為混凝土護(hù)坡，水流狀態(tài)穩(wěn)定，符合時差法設(shè)備對測驗(yàn)河段的技術(shù)要求。

測驗(yàn)斷面渠寬為 29.5 m，渠深為 3.9 m。在渠道的兩側(cè)岸壁上均勻安裝 3 對超聲波換能器，利用激光筆調(diào)整每對換能器的發(fā)射接收面，使之處于同一深度的一條水平直線上。從河底向岸邊方向，3 對換能器安裝高程依次為 22.17，23.04 ，23.88 m，斷面布設(shè)如圖 4 所示。根據(jù)現(xiàn)場情況，供電信號線路采用隨上游水文測橋架空方式，安全可靠。所有換能器通過雙層屏蔽電纜連接到渠道旁立桿上的設(shè)備箱中，采用太陽能電池板+蓄電池的方式供電。設(shè)備主機(jī)配備信號防雷保護(hù)器，接地電阻小于 1 Ω。

圖4 斷面布設(shè)圖

安裝換能器時，安裝位置應(yīng)干凈、開闊、無遮擋，以利于超聲波信號的傳播。每對換能器的連接線與水流方向控制在 30～60° 內(nèi)，以使測量效果最佳。角度過小，造成 2 個傳感器之間距離過遠(yuǎn)，聲信號在傳播中的衰減增大，影響測量精度，還可能引起河床或水面產(chǎn)生反射信號，特別是河水存在垂直溫度梯度時更是如此；角度過大，水流在測線上的投影分量過小，也不利于測量。盡管超聲波在水中可能存在折射等問題，但渠道的寬度通常在數(shù)米到數(shù)十米量級，這樣的距離上，折射是可以忽略的。

3.2 參數(shù)率定分析

在流量監(jiān)測前，需要測繪換能器安裝的上、下渠道斷面及中斷面。因河渠底部不平坦，取Z0為 21.5 m，計(jì)算常數(shù)S0。根據(jù)式（4），得到中斷面面積計(jì)算公式為

式中：h為水深，即Z-Z0。

2020年12月29日—2021年1月26日東油故站引黃輸水期間，采用 M9 監(jiān)測流量為實(shí)測流量，與監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算得到的時差法流量進(jìn)行比測分析。M9 流量采集過程按相關(guān)規(guī)程進(jìn)行，在水位與流速變化不大情況下，人工拖動 M9 三體船至少 2 個測回，再對采集的有效流量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到時段平均流量。比測期間，率定測次為 36 次，水位變幅為 22.82～24.63 m，層流速變化范圍為 0.29～0.77 m/s，實(shí)測流量變幅為 5.85～27.50 m3/s，包含高、中、低水位級。當(dāng)僅使用某一層或幾層流速配合時，利用各層流速計(jì)算的訂正前后流量對比如圖 5 所示。

圖5 利用各層流速計(jì)算的訂正前后流量對比

訂正前的流量，指的是直接使用相應(yīng)時段內(nèi)的平均流速乘以斷面面積得到的時差法流量；訂正后的流量，指的是根據(jù)實(shí)測流量對訂正前的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正得到的流量，也就是校核后的結(jié)果。可以看到，校核的效果是非常明顯的，無論是哪一層數(shù)據(jù)，校核后的數(shù)據(jù)與實(shí)測流量結(jié)果均非常接近，說明單層也有很好的相關(guān)性。尤其是中間的第 2 層，即使不校核，本身就與實(shí)測流量很接近，校核后效果更加理想。為提高測量的準(zhǔn)確性，根據(jù)式（7），在不同的水位級，采用淹沒的換能器測量流速計(jì)算的流量與實(shí)測流量進(jìn)行回歸分析計(jì)算，求得回歸系數(shù)[12]。

水位較低，只有第 1 層換能器被水淹沒時的流量計(jì)算公式為

中等水位，第 1 和 2 層換能器被水淹沒時的流量計(jì)算公式為

水位較高，3 層換能器均被水淹沒時的流量計(jì)算公式為

按照式（9）～（11）計(jì)算出輸水期間時差法流量，與同步實(shí)測流量進(jìn)行對比分析，低、中、高3 種水位下相對誤差分別為 2.2%，1.6%，1.1%?？梢娪?3 層換能器流速聯(lián)合計(jì)算的流量最優(yōu)，與實(shí)測流量對比的偏差也極小，為 0.06 m3/s，均方根誤差為 0.29 m3/s，相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.998，通過置信水平α= 0.01 的顯著性檢驗(yàn)，說明兩者線性關(guān)系非常密切。時差法流量與實(shí)測流量關(guān)系線如圖 6 所示，散點(diǎn)數(shù)據(jù)均分布在 45° 對角線附近且十分接近，充分說明校核效果有良好的一致性。

圖6 時差法流量與實(shí)測流量關(guān)系線

東油故站為調(diào)水水量計(jì)量站，屬一類精度流量站。對東油故站率定的時差法流量與實(shí)測流量關(guān)系進(jìn)行定線精度和合理性評定，并進(jìn)行關(guān)系線符號、適線和偏離數(shù)值 3 種檢驗(yàn)，定線精度和 3 種檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)如表 2 所示。按照 SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，一類精度水文站定線隨機(jī)不確定度不應(yīng)超過 10%，系統(tǒng)誤差應(yīng)在 ±2% 以內(nèi)， 3 種檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量允許值分別為 1.15，1.64，1.7[13]，而計(jì)算得到的隨機(jī)不確定度為 3.12%，系統(tǒng)誤差為 -0.03%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求，3 種檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量分別為 0.17，-0.34，-0.1，均小于對應(yīng)的允許值，說明通過 3 種檢驗(yàn)。按照 SL 195—2015《水文巡測規(guī)范》規(guī)定，單次流量比測相對偏差應(yīng)在 ±5% 以內(nèi)[8]14，本次統(tǒng)計(jì)結(jié)果合格率為 100%。時差法流量經(jīng)過率定及測流精度檢驗(yàn)后，可在同等精度常規(guī)測流方法的使用范圍內(nèi)采用。

表2 定線精度及 3 種檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

3.3 監(jiān)測成果驗(yàn)證

3.3.1 流量成果對比分析

采用 2021年3月9日—4月3日引黃輸水期間的監(jiān)測流量進(jìn)行驗(yàn)證，東油故站時差法流量與實(shí)測流量對比結(jié)果如圖 7 所示。其中，單次流量比測中82% 的時差法流量與同步實(shí)測流量偏差在±3% 以內(nèi)，最大偏差為 4.9%（＜ 5%），系統(tǒng)誤差為 -0.55 m3/s，均方根誤差為 0.38 m3/s，相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.997，滿足流量規(guī)范的要求。從圖 7 可以看出：2 種方法的時間序列曲線基本重合，峰谷對應(yīng)，走勢完全一致，無明顯系統(tǒng)偏差，監(jiān)測成果很理想。

圖7 2021年3—4月時差法流量與實(shí)測流量對比

3.3.2 徑流量成果對比分析

流量測驗(yàn)的基本原則是能準(zhǔn)確推算出逐日平均流量和各項(xiàng)特征值。依據(jù) SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》進(jìn)行數(shù)據(jù)整編，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用整編軟件“水文資料整編系統(tǒng) HDP5.0”，采用連流量過程線法定線推流，計(jì)算出逐日平均流量和徑流量。時差法日均流量采用每日 72 測次流量整編，人工實(shí)測流量采用每日 2 次流量數(shù)據(jù)，依據(jù)水位變化繪制連實(shí)測流量過程線圖，摘錄流量錄入軟件整編。兩者逐日平均流量 80% 的數(shù)據(jù)相對誤差小于等于 ±5%，最大為 -6.7%。依據(jù) SL 195—2015《水文巡測規(guī)范》規(guī)定，一類精度流量站一次洪水總量允許相對誤差為 3%[8]7，時差法數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)整編出的徑流量分別為 4 088 和 4 095 萬 m3，兩者偏差為 -7.78 萬 m3，相對誤差為 0.17%，符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本研究在水量監(jiān)測站開展了超聲波時差法流量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)。通過渠道斷面形狀結(jié)合水位值，擬合得到一個由水位推算實(shí)際過水?dāng)嗝婷娣e的計(jì)算公式。根據(jù)水位和各層換能器的安裝高程，對層流速計(jì)算斷面平均流速進(jìn)行了分段多元線性回歸擬合，構(gòu)建了精細(xì)化計(jì)算流量的多元線性回歸模型，提高了測量范圍和精度。

1 a 多的運(yùn)行表明：該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了明渠流量實(shí)時在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測驗(yàn)精度高，為推廣國產(chǎn)化系統(tǒng)在明渠流量監(jiān)測中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，對推進(jìn)水文測驗(yàn)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程和提高水資源監(jiān)控能力具有重要意義。今后在推廣應(yīng)用上，還須加強(qiáng)流量比測資料的收集和相關(guān)參數(shù)的適用性驗(yàn)證，在使用過程中不斷細(xì)化參數(shù)。對于將監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于天然河道斷面，采用無線超聲波時差法技術(shù)等方面，還有待進(jìn)一步研究。