基于稀釋法的矩形明渠自動(dòng)測流研究

胡琳君，周義仁

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

眾所周知，水是人類寶貴的資源, 合理開發(fā)和利用水資源是實(shí)現(xiàn)我國水資源可持續(xù)發(fā)展的重要措施。現(xiàn)在我國的農(nóng)業(yè)、工業(yè)大部分采用明渠輸水，實(shí)行按量計(jì)費(fèi)的方式，并且我國水資源的60%以上用于明渠灌溉、排洪或向工廠供水[1]。2012年國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，進(jìn)一步明確了水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”的主要目標(biāo)； 2015年中央一號(hào)文件對(duì)農(nóng)業(yè)很多領(lǐng)域做出改革部署，包括推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革；2013-2018年，實(shí)行了國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目。因此，對(duì)量水設(shè)施的研究應(yīng)該從測流精度、投資成本、便于操作等方面考慮。

傳統(tǒng)明渠測流有流速面積法、坡降-水力半徑-面積法、水工建筑物法、稀釋法等。流速面積法的關(guān)鍵技術(shù)問題是斷面平均流速測量誤差大，坡降-水力半徑-面積法只適用于均勻流，水工建筑物法需要提前修建特定建筑物，稀釋法采取現(xiàn)場取樣、人工讀數(shù)的方式，容易產(chǎn)生較大的誤差，耗時(shí)耗力。本文綜合分析了這些因素，研發(fā)了一種基于稀釋法的便攜式自動(dòng)測流裝置。該測流裝置主要由YD-1H型鹽度計(jì)(測量范圍0‰～9.999‰)與單片機(jī)測控系統(tǒng)組成，使用時(shí)將YD-1H型鹽度計(jì)探頭調(diào)節(jié)至水面以下，通過單片機(jī)記錄水流的鹽度變化值，避免了現(xiàn)場取樣和人工讀數(shù)帶來的誤差，提高了測流精度，縮減了測流時(shí)間。

1 測流原理

稀釋法測流是采用鹽類、熒光染料和放射性同位素等示蹤劑，在具有一定紊動(dòng)程度的明渠中，在一個(gè)控制斷面投入示蹤劑，與水充分混合后，在下游斷面用濃度傳感器測量水流濃度，然后換算成流量的方法。要求測流段無引入支流；有一定的混合長度，可以使示蹤劑溶液與水混合均勻；示蹤劑不能與水及水中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不能與光發(fā)生光合作用。控制斷面注入示蹤劑有兩種方法：一次注入法和勻速注入法。本文實(shí)驗(yàn)采用一次注入法，采用的示蹤劑是食鹽溶液。

明渠混合長度計(jì)算公式為：

(1)

式中：b為寬度；d為水深；C為謝才系數(shù)(15

一次注入法(積分法)流量推求公式為：

(2)

式中：Q為測驗(yàn)明渠的流量；C0為取樣斷面處水流中原有的示蹤劑濃度；C1為上游斷面處一次注入示蹤劑的濃度；C2為不同時(shí)間在取樣斷面處的示蹤劑濃度；V為上游斷面處一次注入示蹤劑濃度為C1的全部溶液體積；T為示蹤劑在取樣斷面由出現(xiàn)至消失的總歷時(shí)[2]。

明渠流量Q只是濃度C和時(shí)間T的函數(shù)，示蹤劑溶液投入后，在下游斷面用鹽度計(jì)測量各時(shí)段鹽度的變化值，通過總線RS232和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，通過采用自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過RS485通信接口，以無線傳輸?shù)姆绞剑瑐鬏數(shù)娇刂浦行牡挠?jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)采用HT211ATC鹽度計(jì)折射儀(測量范圍0‰～100‰)和YD-1H型鹽度計(jì)(測量范圍0‰～9.999‰)測量水中鹽度值，兩種鹽度計(jì)感應(yīng)的分別是光線的折射率和電導(dǎo)率，HT211ATC鹽度計(jì)折射儀測量示蹤劑溶液鹽度值，YD-1H型鹽度計(jì)測量實(shí)驗(yàn)過程中水流持續(xù)變化的鹽度值。本文實(shí)驗(yàn)裝置為基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置，其系統(tǒng)工作過程框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作過程框圖

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機(jī)發(fā)出指令，通過示蹤劑投放裝置上的電磁閥，控制示蹤劑溶液投放。下游檢測點(diǎn)感應(yīng)到持續(xù)變化的16組鹽度值，把模擬量數(shù)據(jù)傳輸給多路開關(guān)電路(譯碼器)，然后由單片機(jī)發(fā)出指令，譯碼器執(zhí)行指令，分別把16組數(shù)據(jù) ，經(jīng)過放大器放大，傳輸給自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行處理，取簡單算數(shù)平均值。實(shí)驗(yàn)測得流量Q(簡單算數(shù)平均值)可以直接傳給LED進(jìn)行現(xiàn)場顯示[3]，也可以通過GPRS模塊，無線遠(yuǎn)距離傳輸給控制中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線觀測和儲(chǔ)存。

系統(tǒng)主要由鹽度計(jì)橫板、示蹤劑投放裝置、多路開關(guān)電路、放大器、自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機(jī)、總線、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)組成。其中YD-1H型鹽度計(jì)(測量范圍0‰～9.999‰)采用的是16對(duì)電極及其電子單元，是核心部件。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測流的全過程。

2.2 基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置

基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置的結(jié)構(gòu)圖見圖2～圖4。圖2為示蹤劑投放裝置正視圖，圖3為示蹤劑投放裝置剖面圖，圖4為檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。裝置由3部分組成：示蹤劑投放裝置、檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置和控制系統(tǒng)。示蹤劑投放裝置、控制系統(tǒng)和檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置通過總線RS485相互連接，控制系統(tǒng)是由多路開關(guān)電路、放大器、自帶A/D單片機(jī)、GPRS模塊及其顯示中心連接所述示蹤劑投放裝置與所述檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置構(gòu)成。示蹤劑投放裝置位于圖1中的投放斷面，由控制系統(tǒng)中的單片機(jī)控制示蹤劑投放；檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置位于下游檢測斷面，核心部件是YD-1H型鹽度計(jì)(測量范圍0‰～9.999‰)，用于測量水流鹽度值，并傳輸給控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)。示蹤劑投放裝置與檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置之間的水流長度為混合長度LM?；谙♂尫ǖ淖詣?dòng)測流裝置是按下列步驟進(jìn)行的：①將自動(dòng)測流裝置置于渠道上方，將圖4中的濃度計(jì)橫板放于檢測斷面上方，橫板上均勻分布有n(其中n=16)個(gè)YD-1H型鹽度計(jì)，通過總線與單片機(jī)連接，調(diào)節(jié)n個(gè)鹽度計(jì)，使鹽度計(jì)探頭位于水面以下； ②將投放裝置橫板平行放在示蹤劑投放斷面，接通電源，點(diǎn)擊液晶顯示屏上的開始；③攪拌器開始自動(dòng)運(yùn)行5 min，攪拌水箱中的示蹤劑溶液，使靜置后的、具有一定濃度的示蹤劑溶液混合均勻；④5 min后，打開上電磁閥門，使混合均勻的示蹤劑溶液進(jìn)入具有特定體積的量筒中，待溶液裝滿，關(guān)閉上電磁閥門，打開下電磁閥門；⑤量筒中溶液由管道一次投入，整個(gè)過程由自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)控制；⑥當(dāng)檢測點(diǎn)感應(yīng)到持續(xù)變化的n組濃度值，由總線RS485把模擬量數(shù)據(jù)傳輸給多路開關(guān)電路(譯碼器)，然后由單片機(jī)發(fā)出指令，譯碼器執(zhí)行指令，分別把n組數(shù)據(jù) ，經(jīng)過放大器放大，傳輸給自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)進(jìn)行處理，取平均值；⑦放大器輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)過自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)轉(zhuǎn)換后，可以直接傳給LED進(jìn)行現(xiàn)場顯示，也可以通過GPRS模塊，無線遠(yuǎn)距離傳輸給控制中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線觀測和儲(chǔ)存。

圖2 示蹤劑投放裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖(正視圖)

圖3 示蹤劑投放裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖(剖面圖)

圖4 檢測點(diǎn)濃度計(jì)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器包括：HT211ATC鹽度計(jì)折射儀(測量范圍0‰～100‰)，YD-1H型鹽度計(jì)(測量范圍0‰～9.999‰)，500 mL量杯，卷尺，測水位千分尺，秒表，食鹽，電磁流量計(jì)，浮標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)選定待測物理量。b(寬度)，d(水深)，v(表面流速)，Q1(電磁流量計(jì))，C1(上游斷面處一次注入示蹤劑的濃度)，V(注入示蹤劑濃度為C1的全部溶液體積)，t(時(shí)間)，C0(取樣斷面處水流中原有的示蹤劑濃度)，C2(不同時(shí)間在取樣斷面處的示蹤劑濃度)。

(2)已知水力實(shí)驗(yàn)大廳矩形明渠寬度b=0.5 m，用千分尺測得水位d=0.277 1 m，g取9.8 m/s2,謝才系數(shù)C取50(為保證最大混合長度)，計(jì)算混合長度LM為：

其中，本實(shí)驗(yàn)選定混合長度為27 m。

(3)讀取電磁流量計(jì)流量為0.058 m3/s；用浮標(biāo)法測得表面流速為0.432 m/s；選擇紊動(dòng)程度較高的斷面為投放食鹽溶液斷面(記為A)，用卷尺向下游測量27 m，為取樣斷面處(記為B)；量杯裝500 mL水，加入適量食鹽，攪拌至食鹽全部溶解，用HT211ATC鹽度計(jì)折射儀(測量范圍0‰～100‰)測量量杯中食鹽溶液的濃度值為96.5 g/L，量杯中溶液體積為0.5 L；將YD-1H型鹽度計(jì)(測量范圍0‰～9.999‰)放入水中，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄C0(取樣斷面處水流中原有的示蹤劑濃度)值為0.502 g/L；與此同時(shí)，在A斷面一次注入500 mL食鹽溶液，注入瞬間開啟秒表，63 s后，YD-1H型鹽度計(jì)的讀數(shù)開始增大，每隔3s記錄一次讀數(shù)，直到讀數(shù)變?yōu)?.502 g/L時(shí)，停止記錄；至此，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

(4)重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)6次。

3.3 注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)所用示蹤劑不能與水以及水中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)不能與光發(fā)生光合作用；食鹽溶液必須具有一定的混合長度，并且投放斷面A處應(yīng)該保證一定的紊動(dòng)程度，使得食鹽溶液充分混合均勻；所選儀器的測量范圍必須與實(shí)驗(yàn)開始前估算的濃度范圍一致。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了檢測該自動(dòng)測流裝置的實(shí)用性，在太原理工大學(xué)水力實(shí)驗(yàn)大廳的矩形明渠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，矩形明渠底寬為50 cm，將實(shí)驗(yàn)測得流量與電磁流量計(jì)所測流量進(jìn)行對(duì)比分析，一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(測得C0=0.502 g/L)

3×0.016+3×0.021+3×0.040+3×0.097+

3×0.041+3×0.024+3×0.013+3×0.011+

3×0.008+3×0.004=0.825

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，通過改變矩形明渠流量進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

4 結(jié) 語

通過對(duì)矩形明渠中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置在矩形明渠中測流和電磁流量計(jì)測流的相對(duì)誤差控制在了4%以內(nèi)，進(jìn)一步證明了基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置在矩形明渠中測流的可行性與準(zhǔn)確性[4]。

傳統(tǒng)的測流方法如流速面積法[5]具有斷面平均流速難以測量的關(guān)鍵問題，稀釋法通過測量濃度，然后換算成流量，不需要對(duì)斷面平均流速進(jìn)行測量，減少了不可避免發(fā)生的誤差(斷面平均流速無法精確測量)。但需要保證溶液混合均勻和所選示蹤劑不與水以及水中物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，不與光發(fā)生光合作用，保證示蹤劑溶液具有一定的混合長度，與水流混合均勻。本文將稀釋法與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相結(jié)合，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，制作了一種基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置。由YD-1H型鹽度計(jì)測量水流的鹽度變化值，通過自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機(jī)，換算成明渠流量值，由總線RS485和上位機(jī)通訊傳輸，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，還可以通過無線，傳給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和儲(chǔ)存。

基于稀釋法的自動(dòng)測流裝置與傳統(tǒng)的測流裝置，如流速儀測流相比，減小了成本和誤差，提高了適用性。本文所述裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測流過程，節(jié)省了人力、物力和測流時(shí)間，解決了應(yīng)用稀釋法測流時(shí)，人工讀數(shù)容易產(chǎn)生較大誤差的問題。解決了斷面平均流速不能精確測量的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過濃度直接換算流量，極大地減小了測流誤差?；谙♂尫ǖ淖詣?dòng)測流裝置能應(yīng)用于多種斷面明渠中，對(duì)斷面形狀沒有要求，流量只是濃度和時(shí)間的函數(shù)。該裝置測流精度高，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易攜帶，能應(yīng)用于各種各樣的復(fù)雜環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景和市場推廣前景。