河流斷面探入式精準(zhǔn)測流裝置的研發(fā)及應(yīng)用

劉 錕，孫 亮，劉培杰

(天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，天津 300456)

流量測驗(yàn)是水文測驗(yàn)的重要工作內(nèi)容，也是水資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)工作，對其測量精度的探索研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。近年來，隨著科技的進(jìn)步和水利行業(yè)的快速發(fā)展，河流斷面流量測驗(yàn)，尤其是水文纜道流量測驗(yàn)方式已逐漸由自動化測流代替人工測流，市場上出現(xiàn)了多種斷面流量自動化測量系統(tǒng)及設(shè)備[2-4]。

作為貫穿我國東西的兩大河流之一，長江跨度較寬、江底地形復(fù)雜多變，因此在進(jìn)行斷面流速測量時會遇到諸多問題。如使用雷達(dá)波儀器測量，通常需要固定儀器的位置，雖然也可集成于纜道上用于復(fù)雜河道的流速測量[5]，但也僅限測得表面流速流向，由于測線位置隨水面寬而變化，特別是當(dāng)水位變化大、河漫灘寬時，測線位置更難確定、會給成果帶來較大的誤差[6]。因此，在長江流域，根據(jù)現(xiàn)行GB50179-2015《河流流量測量規(guī)范》[7]，利用探入式儀器進(jìn)行河流斷面流量測量依舊是主要的流量測量手段。目前，探入式斷面流量測量，均要求精確測出各個斷面垂線位置的水深，在特定水深位置進(jìn)行流速測量，從而得出垂線平均流速，可見精確計(jì)量垂線水深是河道斷面流量測量的一個關(guān)鍵因素。然而，大多數(shù)探入式測量設(shè)備由于水流沖擊以及環(huán)境因素常常會導(dǎo)致水深測量精度偏低。纜道水深測量是影響纜道流量測驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是水文纜道測量的難點(diǎn)，主要原因是測量時主索垂度、鉛魚重量配置、漂浮物、流速等因素的影響。拉偏索纜道只能減小偏角，并不能消除因偏角影響帶來的水深誤差[8-9]。

本文結(jié)合自動化測流技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，通過深入研究實(shí)驗(yàn)，提出一種河流斷面探入式精準(zhǔn)測流裝置，集成驅(qū)動系統(tǒng)、線長精確計(jì)量裝置、導(dǎo)向防擺裝置、偏角及傾角測量裝置、水深測量裝置及水文測量儀器。該裝置集成化程度高，測量穩(wěn)定，可完整移接至各類纜道吊箱或測橋軌道測流裝置等自動測量設(shè)備中，可大幅度提高垂線斷面測量精度，為精確流量測量提供可靠、有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 探入式自動測流綜述

1.1 探入式自動測流方式

探入式自動測流方式根據(jù)河面寬度可分為軌道式及纜道式兩種。

軌道式測量主要應(yīng)用于渠道斷面，尤其在河道淤積嚴(yán)重、斷面地形變化較大的黃河灌區(qū)應(yīng)用較多。軌道式測量即在河流斷面鋪設(shè)跨斷面自動測量軌道，通過自動測流設(shè)備在軌道上運(yùn)行到測量點(diǎn)進(jìn)行垂線測量，最終得到斷面流量數(shù)據(jù)，測流儀器正在向遙測、遙控、全自動、智能化、存貯式、走航式方向發(fā)展[9-10]。

水文纜道是應(yīng)用于河流流量測量最為廣泛的技術(shù)裝備，該裝備通過跨河纜道將水文儀器設(shè)備或測驗(yàn)人員運(yùn)送到測驗(yàn)斷面的任一指定位置進(jìn)行測驗(yàn)作業(yè)[11-12]。

軌道式測流的優(yōu)勢在于可以利用現(xiàn)有測橋進(jìn)行依附式建設(shè)，軌道相對平穩(wěn)，測量結(jié)果受天氣因素影響較小[13]，并且采用測流橋測流的施測人員的安全性相對較高[14-15]。纜道式自動測流優(yōu)勢在于可以不受河寬的影響，橫跨大河流斷面進(jìn)行測流。

1.2 探入式自動測流方法

根據(jù)水文渠道量水規(guī)范對斷面測量的要求，無論纜道還是軌道探入式自動測流，均為模擬人工測量方式，即通過測量設(shè)備在垂直于河道斷面的承重纜道或軌道上，運(yùn)行至指定斷面垂線位置，通過電機(jī)下放測量設(shè)備，采集水位信號、探底信號，根據(jù)垂線相對水深h自動計(jì)算得出測流位置(暢流期為0.2，0.6，0.8 h)并進(jìn)行測量[7，16]，測量完成后回收儀器，再行至下一垂線點(diǎn)進(jìn)行測量，最終匯總垂線數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面流量計(jì)算。

其流量計(jì)算公式為

(1)

式中：Si為第i個分區(qū)的面積；Bi為第i條與第i-1條垂線間的水面寬度；Hm為斷面中垂線處的水深；Vi為第i個分區(qū)中垂線的等效平均流速[17]。Vi利用各類水文測流儀器測得，精度由水文儀器硬件性能確定，Bi可直接測量或提前人工標(biāo)定，因此，在探入式測量中，斷面流量Q的測量精度還受Hm影響。

1.3 探入式測流存在的問題

根據(jù)式(1)可知，影響流量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)是水深H和垂線流速V。而流速測量的位置又完全由水深決定，因此垂線水深數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的測量數(shù)據(jù)之一。

自動測量的測深原理是用懸索懸吊鉛魚，測定鉛魚自水面下放至河底時，通過岸上的一些傳感裝置和計(jì)數(shù)表來測量懸索的入水長度，且入水長度即為實(shí)測水深[15]。而在現(xiàn)有的自動測量設(shè)備中，放線長度可由增量型編碼器通過導(dǎo)輪精確得出，而放線由于水流影響形成傾斜角導(dǎo)致放線長度測量不精確，從而導(dǎo)致水深測量誤差較大。

針對線纜傾角問題，軌道式測量設(shè)備由于軌道鋪設(shè)基本保持平行，在測量中基本上只有平行于水流方向的傾角；而纜道式測量設(shè)備因承重主纜的大跨度導(dǎo)致的垂度，測量過程中不但有平行于水流方向的線纜傾角，還會因水流拉力導(dǎo)致測量設(shè)備傾斜，從而水深測量誤差會進(jìn)一步增大。因此水深測量偏差會嚴(yán)重影響流量測量精度，為了防止此類問題，纜道測流系統(tǒng)通常配有拉偏索，但只能減小誤差而不能消除誤差[11,18]。

2 河流斷面探入式精準(zhǔn)測流裝置

在探入式測量方法中結(jié)合線長精確測量、偏角和傾角修正的方式，提出了一種適用于多類型自動測量設(shè)備的通用型裝置，結(jié)合采集處理技術(shù)，可精確測量河流斷面水位、水深等參數(shù)。當(dāng)測點(diǎn)垂線的渠底為標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面時，還可通過水位、水深測量數(shù)據(jù)精確計(jì)算淤積深度和分層流速測量的目標(biāo)高度。

該裝置由驅(qū)動裝置、線纜導(dǎo)向測量裝置、防擺架、偏傾角測量裝置、水文測流儀器和水深測量裝置組成，可簡易結(jié)合纜道自動測流吊箱或軌道式自動測流裝置安裝在測流設(shè)備中。如圖1所示，驅(qū)動裝置中，驅(qū)動電機(jī)帶動纏線卷軸運(yùn)動，可進(jìn)行探入式儀器的下放及回收，線纜導(dǎo)向測量裝置通過轉(zhuǎn)動精確計(jì)量實(shí)時放線長度。線纜穿過線纜防擺架連接水文測流儀器和水深測量裝置。在防擺架上，安置的偏傾角測量裝置可實(shí)時監(jiān)測線纜偏轉(zhuǎn)角度和整體裝置的傾斜角度。

圖1 探入式測流裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Device structure

通過以上所述結(jié)構(gòu)，在河流斷面垂線自動測量過程中，所輸出的信號可精準(zhǔn)計(jì)算得出垂線水深，從而大幅度提高垂線斷面參數(shù)測量的精度。

3 裝置硬件模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動結(jié)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)、連接軸、卷線盤和電刷滑環(huán)等組成，驅(qū)動電機(jī)采用直流電機(jī)及渦輪蝸桿減速機(jī)方式，采用PWM驅(qū)動器控制，精確控制線纜收放，儀器停放水中測量，渦輪蝸桿減速機(jī)可保證停止轉(zhuǎn)動時，測量儀器穩(wěn)定停放測量位置進(jìn)行測流工作不打滑。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of drive part

通信線纜采用4 mm鎧裝線纜，在保證受水阻最小的情況下，提供可靠拉力(800 kg)，中心信號線與電刷滑環(huán)連接輸出測量信號。

3.2 放線測量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號線纜穿過導(dǎo)向定滑輪，向下輸出；定滑輪帶動定滑輪固定導(dǎo)輪，通過軟連接器連接角度傳感器，可精確測量放線長度，并提供線長測量接口；滑輪支架另一側(cè)的行程限位器在收至初始位置時，確定上行定位；如圖3所示。

圖3 線長測量結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of length measurement part

放線長度通過角度編碼器換算進(jìn)行長度測量計(jì)算。放線長度計(jì)算公式為

(2)

式中：Lf為實(shí)時放線距離；N為轉(zhuǎn)數(shù)；θ0為初始暫存角度；θ1為實(shí)時角度；d為定向滑輪直徑。下放時，每轉(zhuǎn)動1圈，N自加1，回收時，每轉(zhuǎn)動1圈，自減1。

3.3 防擺架及偏傾角測量裝置設(shè)計(jì)

線纜穿過防擺架上的線纜輸出孔后，連接流速測量儀器和水深測量裝置。防擺架兩側(cè)立柱上安置的防擺架滑塊確保防擺結(jié)構(gòu)可穩(wěn)定自由上下運(yùn)動，進(jìn)入防擺架線纜輸出孔后，鎧裝線纜被“井”形滾軸固定，使防擺架上方線纜實(shí)時處于與裝置相對垂直狀態(tài)，并向下連接偏角測量傳感器。

防擺架在兩側(cè)立柱上方可安置合頁與頂部支撐架相連，適用于纜道式測流裝置，可使防擺架及線纜與水面實(shí)時保持垂直方向，消除纜道由于垂度導(dǎo)致的裝置前后傾斜偏量。

在防擺架中部安裝傾角傳感器及偏角傳感器，偏角傳感器可測量線纜與測流裝置垂直中線的夾角Δθ，傾角傳感器x軸偏量可測量出測流裝置與水平面間的傾角變化量Δη，如圖4所示。

圖4 防擺架及偏傾角測量裝置Fig.4 Structure of deflection angle measuring device

3.4 測深裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水深測量裝置安裝于測流裝置最下方，金屬鋁外殼為柱形結(jié)構(gòu)，可防銹、整體結(jié)構(gòu)重于水密度、水阻小并且可以減小對水底地形的破壞，內(nèi)部采用浮子式行程開關(guān)信號在接觸河底時提供觸底信號。金屬鋁外殼上探針式測量點(diǎn)向外輸出，接觸水面時反饋觸水信號，如圖5所示。

圖5 水深測量裝置Fig.5 Structure of water depth measuring device

4 裝置斷面流量的測量方法

結(jié)合本文所述探入式測流裝置及水文測量規(guī)范[4，11]，自動測流方法設(shè)計(jì)如下。

(1) 在自動測流系統(tǒng)運(yùn)行至垂線測量點(diǎn)后，驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行下放儀器，通過線纜導(dǎo)向測量裝置實(shí)時監(jiān)控放線長度，在防擺架未運(yùn)行至底部前，線纜實(shí)時保持與車體垂直，防擺架下放完畢后，記錄初始線纜偏角，實(shí)時線纜偏角；實(shí)時計(jì)算放線垂直距離計(jì)算公式為

Lr=LfcosΔθ=Lfcos(θ1-θ0)

(3)

(2) 放線過程中，未接觸水面時，傾角傳感器記錄實(shí)時采集的傾斜角度η0。

(3) 下放儀器置水面時，水面測量接觸點(diǎn)提供水位信號，記錄水面垂直放線距離La=Lr，收到水面信號時，記錄傾斜初始角度β0，入水后實(shí)時計(jì)算放線垂直距離Lr，計(jì)算公式為

Lr=Lfcos(Δθ+Δη)

(4)

Lr=Lfcos(θ1-θ0+η1-η0)

(5)

(4) 下放儀器到渠道底部，浮子式觸底行程開關(guān)提供觸底信號，記錄水面垂直放線距離Lb=Lr，從而實(shí)際測得水深：

Lm=Lb-La

(6)

式中：m為第m條垂線。

(5) 利用水深測算測量目標(biāo)點(diǎn)Lc，Lc不唯一(0.6Lm，0.2Lm，0.8Lm等)，可根據(jù)水文規(guī)約或當(dāng)?shù)貙?shí)際水文情況確定多個測點(diǎn)進(jìn)行流速測量，得出第m條垂線平均流速：

(7)

式中：n為垂線m測流點(diǎn)個數(shù)。

(6) 信號線纜向上帶動流速測量設(shè)備至測量目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行垂線單點(diǎn)測流，數(shù)據(jù)通過鎧裝信號線纜中心信號線向上傳輸至接收控制終端。

(7) 垂線測量完成后，回收儀器至水面上目標(biāo)值，垂線測量完成。

(8) 運(yùn)行至下一垂線進(jìn)行測量。

(9) 河道斷面共計(jì)n條垂線，斷面流量的計(jì)算公式為

(8)

式中：S(L1)為第一條垂線前河道面積，L1為第1點(diǎn)水深；S(Ln)為第n條垂線后河道面積，Ln為第n點(diǎn)后實(shí)際水深；α為第1垂線前的流速系數(shù)；β為第n條垂線后流速系數(shù)；S(x)函數(shù)由于標(biāo)準(zhǔn)斷面和自然河道采用的面積算法并不相同，但均為常數(shù)或由邊坡系數(shù)和水深所確定[11]，在本文中不再贅述；測量方法流程如圖6所示。

圖6 測量方法流程Fig.6 Flow of measurement method

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

在明渠斷面流量測量中，測量數(shù)據(jù)主要由流速、水深兩個主要參數(shù)確定，而該裝置主要作用為精確測量垂線水深。因此，裝置研發(fā)完成后分別在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。

5.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用天津水運(yùn)工程檢測計(jì)量站的標(biāo)準(zhǔn)水槽，最大可標(biāo)定2.00 m/s流速下的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)際水深可達(dá)2.00 m以上，數(shù)據(jù)分析主要以標(biāo)準(zhǔn)流速下的水深測量數(shù)據(jù)分析為主，每個水深及流速下，測量5組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，測量結(jié)果如表1所列。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，最大偏差發(fā)生在2.00 m水深、1.5 m/s及2.0 m/s流速下，水深的最大相對誤差發(fā)生在2.00 m水深的1.5 m/s流速下的測量中，最大相對誤差為0.73%;5次測量平均水深的相對誤差發(fā)生在2.00 m水深、2.0 m/s流速的測量中，相對誤差為0.44%，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測量數(shù)據(jù)，水深測量相對誤差均小于1%。

表1 實(shí)驗(yàn)室裝置測深Tab.1 Measurements of bathymetric data in the laboratory

5.2 現(xiàn)場軌道式實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在現(xiàn)場環(huán)境中，有淤積的渠道斷面無法和真實(shí)值進(jìn)行對比。因此，軌道式斷面測量系統(tǒng)的測量環(huán)境選擇在山東濱州小開河灌區(qū)的無沉積的規(guī)則矩形渡槽上搭設(shè)軌道進(jìn)行軌道式測深實(shí)驗(yàn)。測量數(shù)據(jù)包括人工水尺讀取水位高度，即水深、測流裝置垂線測深及人工測算流量和自動測量流量數(shù)據(jù)比對，流速儀均采用南水LS20B型旋槳流速儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測量數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 現(xiàn)場環(huán)境裝置測深Tab.2 Measurement of bathymetric data in practical application by field device

人工讀取水位高度即認(rèn)定為平均水深，設(shè)備選取5條斷面垂線進(jìn)行測量，對比測量結(jié)果如表2所列。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，5次測量中，水深最大的相對誤差分別為0.83%，1.46%，0.98%，0.90%，0.87%。測量數(shù)據(jù)表明：水深相對誤差不超過1.50%，均值誤差小于1.00%。

5.3 纜道型吊箱裝置實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

由于自然河流斷面較寬，大多采用纜道式測量方式，該裝置的測量環(huán)境選擇河北邢臺艾辛莊水文觀測站。通過系統(tǒng)改造，測量裝置由絞車直接拉動的流速測量設(shè)備改為拉動吊箱式流速測量裝置，吊箱中安放本文設(shè)計(jì)的裝置來測量水深和垂線流速，吊箱內(nèi)測量系統(tǒng)采用電池供電，自動放線測量水深及流速。

測量對比方法為，在同一時間段內(nèi)，通過斷面水尺讀取水位高度，先利用原始纜道測量設(shè)備測量斷面水深數(shù)據(jù)，再利用吊箱設(shè)備進(jìn)行垂線點(diǎn)多次水深復(fù)測，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，測量對比數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 吊箱裝置測深Tab.3 Measurement of bathymetric data in practical application by hanging box devices

在表3中，水尺讀數(shù)為4.23 m。在自然河道斷面選取6條垂線進(jìn)行原始纜道與本文所述裝置進(jìn)行水深測量比對。最大水深測量偏差發(fā)生在原始纜道測深3.65 m(垂線4)的位置，吊箱裝置在該點(diǎn)5次平均測深為3.418 8 m。最大測量偏差0.246 m，均值偏差0.231 2 m。吊箱裝置測深均小于原始纜道測深，流速越大，偏差越大。原因是原始纜道以放線距離計(jì)算垂線水深，未曾增加流速導(dǎo)致的纜繩拉偏修正，所以水深偏大。由此推論，使用該裝置，可使纜道測量斷面垂線水深更加精確。

6 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試，最大2.00 m水深、最大2.0 m/s流速的情況下，水深測量相對誤差均小于1%。

(2) 通過現(xiàn)場明渠斷面對比測試實(shí)驗(yàn)，測流裝置設(shè)計(jì)可行，1.5 m水深內(nèi)，水深測量最大相對誤差小于1.5%。

(3) 通過在自然河道斷面與傳統(tǒng)纜道進(jìn)行水深測量比對實(shí)驗(yàn)分析，運(yùn)用該裝置在纜道測流中可有效減小纜繩偏角導(dǎo)致的水深測量偏差。

(4) 通過河流斷面探入式精準(zhǔn)測流裝置在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)比測及現(xiàn)場的成功應(yīng)用，證明該裝置可較大幅度提高渠道斷面自動測流的測量精度，整體設(shè)計(jì)解決了長度測量、傾角測量、偏角測量、水深測量等關(guān)鍵性問題，使自然斷面或明渠渠道自動測流功能更加完善。該裝置可提供多種標(biāo)準(zhǔn)信號，適用性強(qiáng)，結(jié)合現(xiàn)場自動測流設(shè)備，可進(jìn)行簡單的修改設(shè)計(jì)便可投入使用，具備較強(qiáng)的推廣價值。